(Agricultural nitrogen pollution is global threat, but circular solutions await)
Claire Asher – Bình Yên Đông lược dịch
Mongabay – 16 January 2024
· Nitrogen là một nguyên tố cần thiết cho những sinh vật sống, cần để cấu tạo DNA, chất đạm và diệp lục tố. Mặc dù nitrogen chiếm gần 80% không khí chúng ta thở, tính có sẵn của nó cho cây cối và thú vật rất hạn chế. Kết quả là, nitrogen là một yếu tố giới hạn trong sự tăng trưởng của hoa màu từ lúc bình minh của nông nghiệp.
· Nhân loại phá vỡ những giới hạn đó bằng tiến trình Haber-Bosch để tạo ra ammonia và phân bón tổng hợp, thúc đẩy bởi nhiên liệu hóa thạch, và nay được dùng một số lượng lớn lao cho hoa màu. Nhưng lượng nitrogen chảy vào đó đã làm xáo trộn chu kỳ nitrogen tự nhiên của Trái đất. Ngày nay, ô nhiễm nitrogen đang vượt qua nhiều biên giới của hành tinh
· Nitrates ô nhiễm các thủy đạo, gây ra phú dưỡng (eutrophication). Nitrous oxide là một khí nhà kiếng mạnh và là một chất làm cạn kiệt ozone. Ammonia là một nguyên nhân của ô nhiễm không khí, với những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. Nitrogen cũng được dùng để sản xuất những chất tổng hợp có tiềm năng sống lâu có thể trở thành những chất ô nhiễm
· Kỹ thuật và quản lý nông nghiệp tốt hơn có thể cắt giảm 1/3 hay nhiều hơn ô nhiễm nitrogen. Những giải pháp kinh tế tuần hoàn gồm có hiệu năng của phân bón tốt hơn, nâng cao sự đông lại tự nhiên của nitrogen, và phục hồi và tái sử dụng chất thải nitrogen. Những thay đổi xã hội cũng cần đến, gồm có biến chuyển trong ẩm thực tránh xa thịt của con người.
Khi thế giới vật lộn với thay đổi khí hậu, các nhà làm chánh sách vẫn chú trọng đặc biệt đến CO2, với nhân loại đang cố gắng để bỏ carbon trong những hệ thống năng lượng, thu giữ carbon, phát hành tín dụng carbon, và trồng hàng triệu cây để thu hút phóng thích.
Nhưng carbon dioxide chỉ là một trong vài khí nhà kiếng mạnh gây bất ổn cho khí hậu toàn cầu, và chỉ là một trong những chất ô nhiễm do con người tạo ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến thế giới thiên nhiên và đe dọa đẩy Trái đất ra khỏi tình trạng có thể cư trú hiện nay.
Một chất khác ít khi được mọi người chú ý, nhưng có lẽ có ảnh hưởng lớn hơn đến những hệ thống hỗ trợ đời sống của hành tinh củ chúng ta, là nitrogen.
“Nitrogen ở khắp nơi và không thể thấy,” và nó ảnh hưởng đến nhiều thứ, Mark Sutton, một nhà vật lý môi trường của Trung tâm Sinh thái và Thủy học ở U.K., nói. Những sự mất cân bằng lớn lao trong chu kỳ nitrogen tự nhiên của Trái đất, mang lại bởi các hệ thống nông nghiệp-thực phẩm, kỹ nghệ và giao thông của nhân loại, khiên cho các nhà khoa học nhiều lần lên tiếng báo động – nhất là trong 2 thập niên qua – phần lớn không được lắng nghe. Nhưng các nhà phân tích nói những giải pháp kinh tế tuần hoàn đang chờ, mặc dù chúng sẽ đòi hỏi những thay đổi lớn lao trong nông nghiệp và xã hội.
Nitrogen là một yếu tố giới hạn trong sự tăng trưởng của hoa màu từ lúc bình minh của nông nghiệp. Trong lịch sử, nông dân trồng rau để sửa nitrogen trong đất, và dùng phân của gia súc để tái chế chất thải nitrogen vào hệ thống. [Ảnh: Farm Watch]
Haber-Bosch: Một con dao 2 lưỡi
Nitrogen rất cần thiết. “Không có nitrogen, sẽ không có đời sống. Nó là những khối tạo nên DNA, amino acids, và chất đạm. Nó ở trong diệp lục tố châm ngòi cho quang hợp,” David Kanter, một nhà khoa học môi trường của Đại học New York, giải thích.
Nhưng mặc dù nguyên tố nầy chiếm gần 80% của không khí chúng ta thở, và là một chất kích thích cho sự tăng trưởng của cây cối, tính có sẵn của nitrogen cho cây cối và thú vật vô cùng hạn chế. Kết quả là, nitrogen đã là một yếu tố giới hạn đối với năng suất của hoa màu từ lúc bình minh của nông nghiệp. Trong lịch sử, nông dân chỉ có 2 khí cụ để chuyển thêm: trồng rau để sửa chữa nitrogen ở trong đất và dùng phân của gia súc để tái chế chất thải nitrogen.
Điều đó đã thay đổi lớn lao trong đầu thế kỷ 20th, khi nhà hóa học Đức Fritz Haber và Carl Bosch phát triển một tiến trình kỹ nghệ để lấy nitrogen từ không khí và biến nó thành ammonia, bằng cách dùng nhiệt độ và áp suất cao. Phát minh của họ lần đầu tiên được thu hoạch để đáp ứng nhu cầu của nitrate để làm thuốc nổ trong Thế Chiến I. Sau chiến tranh, kỹ nghệ hóa chất xoay qua sản xuất những số lượng lớn phân bón nitrogen tổng hợp.
Từ năm 1900 đến 2000, dân số toàn cầu gia tăng từ 1,6 tỉ đến 6 tỉ người, nhưng đất nông nghiệp chỉ nới rộng 30%. Khoảng trống nầy phần lớn được lấp đầy bởi phân bón nitrogen tổng hợp được tạo nên qua tiến trình Haber-Bosch, giúp cho những gia tăng vô cùng to lớn của năng suất hoa màu. Nhưng bằng cách lấy nitrogen từ khí quyển và sử dụng nó cho đất nông nghiệp, Haber-Bosch cũng tăng gấp đôi kích thước của chu kỳ nitrogen toàn cầu.
“Nó là một phát minh có nhiều hậu quả nhất trong lịch sử nhân loại,” Kanter nói.
Từ năm 1961, mức sử dụng phân bón tổng hợp đã gia tăng trên 10 lần, nhưng hầu hết nitrogen đó không đến thực phẩm trên dĩa của chúng ta, nhưng gây ô nhiễm đất và nước.
Vấn đề gia tăng vì nitrogen được áp dụng cho đất nông nghiệp không nằm ở đó. “Hệ thống trong tất cả những thành phần của nó rò rỉ,” Ramus Einarsson, một nhà nghiên cứu của Đại học Khoa học Nông nghiệp Swedish, nói.
Nitrogen trong khí quyển ở dạng N2 không phản ứng vô cùng vì 2 phân tử N được nối với nhau bằng 3 mối nối mạnh. Nhưng khi N2 trong khí quyển được sửa lại – bằng tia chớp, bằng cây cối qua vi khuẩn sửa nitrogen ở trong rễ, hay bởi con người qua tiến trình Haber-Bosch – 3 mối nối đó bị vỡ và nitrogen biến thành nhiều dạng phản ứng hơn, chẳng hạn như ammonia, nitrogen oxides hay nitrous oxide.
Nitrogen phản ứng dễ biến thành dạng nầy đến dạng khác, và hóa chất nầy khéo léo cho phép nó nhanh chóng đổ xuống qua môi trường. “Nó có thể tiếp tục hành trình hủy hoại môi trường nầy, nơi nó bắt đầu có lẽ là ammonia, đóng góp vào ô nhiễm không khí, và rồi chuyển thành nitrate, đóng góp vào ô nhiễm nước, rồi đi vào không khí như nitrous oxide,” làm tồi tệ thêm thay đổi khí hậu và cạn kiệt ozone, Kanter giải thích.
Một phần, nó có thể là sự phức tạp gây sửng sốt của phản ứng của hóa chất nầy – và sự khó khăn trong việc liên lạc với công chúng của những tiến trình phần lớn không thấy được – đã đóng góp vào đáp ứng chậm của nhân loại với khủng hoảng ô nhiễm nitrogen đang leo thang.
XIN BẤM "READ MORE" ĐỂ ĐỌC TIẾP
Nhà máy phân urea ở Bangladesh. [Ảnh: Mar11]
Nitrates rò rỉ từ đất nông nghiệp vào nước ngầm và chảy vào sông và hồ nơi chúng có thể đưa đến phú dưỡng. Trong năm 2007, tảo bùng nổ trong hồ Tai ở Trung Hoa nghiêm trọng đến độ phải tuyên bố tình trạng khẩn cấp y tế. [Ảnh: European Space Agency]
Ảnh hưởng của nitrogen đối với nhiều biên giới của hành tinh
Khi nitrogen đổ xuống qua các dạng phản ứng của nó, nó đóng góp vào việc vượt qua nguy hiểm của một số trong 9 biên giới cũa hành tinh mà các nhà khoa học nói phải được tôn trọng nếu chúng ta muốn giữ cho Trái đất có thể ở được.
Ngày nay, những thay đổi lớn lao của chúng ta trong nitrogen toàn cầu và các chu kỳ sinh địa hóa (biogeochemical) của phosphorous nghiêm trọng đến nỗi chúng được định nghĩa như 1 biên giới của hành tinh vì những phẩm chất đặc biệt của chúng – biên giới đầu tiên của 9 biên giới bị vuột qua nguy hiểm.
Nitrates thấm từ đất nông nghiệp vào nước ngầm và chảy vào sông, hồ và cửa sông, nơi chúng có thể gây phú dưỡng và vùng chết cạn kiệt oxygen, làm đời sống ở dưới nước nghẹt thở và ảnh hưởng đến biên giới nước ngọt và sự toàn vẹn của sinh quyển.
Thủy triều đỏ dưới cầu Astoria, Oregon, U.S. [Ảnh: Alex Derr]
Nông nghiệp cũng phóng thích khoảng 5 triệu tấn nitrous oxide vào khí quyển mỗi năm, ảnh hưởng đến biên giới thay đổi khí hậu của hành tinh. Nitrous oxide là một khí nhà kiếng mạnh, với đời sống trên 100 năm và khoảng 275 lần tiềm năng hâm nóng toàn cầu của carbon dioxide.
Nitrous oxide cũng đóng góp vào biên giới cạn kiệt ozone của hành tinh. Mức sụt giảm lớn lao trong việc sản xuất chlorofluorocarbon (CFC) thực hiện bởi Nghị định thư Montreal 1987 nay làm cho nitrous oxide là chất làm cạn kiệt ozone chiếm ưu thế được phóng thích bởi con người.
Phúc trình năm 2022 của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) cho thấy rằng nồng độ nitrous oxide trong khí quyển, đến 125% trên mức tiền kỹ nghệ.
Một tai ương khác: nitrogen oxides và ammonia, cả hai là dạng phản ứng của nitrogen, chịu trách nhiệm cho 15-30% ô nhiễm bụi trong không khí, ảnh hưởng nghiêm trọng sức khỏe của con người.
Một nguồn ảnh hưởng khác: nitrogen được dùng để làm những chất mới lạ, gồm có TNT, nylon và những sản phẩm tổng hợp khác có tiềm năng là chất ô nhiễm môi trường sống lâu, liên kết thành phần với một biên giới hành tinh bị vượt qiua khác.
Trên tất cả những thứ nầy, leo thang thay đổi khí hậu có lẽ đang làm tồi tệ ô nhiễm nitrogen. Mưa cực đoan và lũ lụt gia tăng chảy tràn nitrate, trong khi một khí hậu ấm hơn nâng cao phóng thích nitrous oxide và ammonia từ nông nghiệp.
Một nông dân phun phân bón urea ammonium nitrate lỏng lên hoa màu trước khi xuất hiện. Thách thức cho những nhà làm chánh sách quốc gia và quốc tế là cân bằng những lo ngại của an ninh lương thực với gia tăng lo ngại về môi trường, gồm có sử dụng quá mức phân bón tổng hợp. [Ảnh: Eutrophication and Hypoxia]
Một vấn đề khu vực với những hậu quả toàn cầu
Ước tính đầu tiên của biên giới hành tinh an toàn cho việc sử dụng nitrogen của con người được đưa ra trong năm 2009 vào khoảng 35 triệu tấn một năm – 25% mức hiện nay – mặc dù các chuyên viên thừa nhận rằng ước tính nầy là một phỏng đoán đầu tiên rất thô. Sáu năm sau, Will Steffan của Đại học Quốc gia Australia và Trung tâm Chịu đựng Stockhom, cùng với các đồng nghiệp, sửa lại ước tính nầy đến 73 triệu tấn một năm, khoảng 50% mức hiện nay.
Một lý do khiến cho quá khó để định lượng một biên giới hành tinh an toàn cho nitrogen là mặc dù ô nhiễm nitrogen có những hậu quả toàn cầu, cả việc sử dụng và những ảnh hưởng trực tiếp nhất đều ở địa phương.
“Nó có nhiều qui mô và có nhiều ảnh hưởng,” Sutton nói.
Những ảnh hưởng địa phương nầy không được phân phối đồng đều trên khắp hành tinh. “Nó là một vấn đề khu vực,” Wim de Vries, một phân tích viên hệ thống môi trường ở Đại học và Nghên cứu Wageningen ở Netherlands, nói. “Nó là vấn đề quá nhiều ở nơi nầy và quá ít ở nơi khác,” ông giải thích.
Trong năm 2022, de Vries và các đồng nghiệp ước tính các biên giới hành tinh cho mất mát nitrogen nông nghiệp để bảo vệ nước ngọt và tính đa dạng, cộng thêm vào một ngân sách 57 triệu tấn nitrogen một năm, hay khoảng 48% mức hiện nay.
Các biên giới địa phương và khu vực, tính tất cả, “cộng thành một biên giới hành tinh,” de Vries giải thích, nhưng “con số tổng cộng đó giả sử sự phân phối nitrogen tối ưu,” không phải là trường hợp hiện nay. Trong một số vùng, tăng trưởng của hoa màu choáng váng vì thiếu nitrogen, ở vùng khác, sử dụng quá mức phân bón đang gây ra ô nhiễm không khí, đất và nước nghiêm trọng.
Một thí dụ nổi bật là Trung Hoa. Là nơi cư trú của gần 20% dân số của thế giới nhưng chỉ có 7% đất canh tác toàn cầu, Trung Hoa sử dụng gần 1/3 số phân bón nitrogen được sản xuất. Kết quả của việc sử dụng quá mức gây ô nhiễm nitrogen ở Trung Hoa gia tăng 60% một năm từ 1980 đến 2010, với những ảnh hưởng nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe của con người.
Ở Trung Hoa, việc sử dụng phân bón quá mức làm cho ô nhiễm nitrogen gia tăng 60% một năm giữa 1980 và 2010, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe của con người. [Ảnh: Rod Waddington]
Một ước tính đề nghị rằng ở Ấn Độ, Pakistan và đông Trung Hoa, những giảm sút trong việc sử dụng phân bón trên 80 kg mỗi hectare mỗi năm, hay khoảng 70 pounds một acre, cần đến để đưa những vùng nầy trở lại vùng an toàn của biên giới hành tinh.
Nhưng vấn đề thì trái ngược trong vùng sub-Sahara Phi Châu, nơi nông dân không thể cáng đáng hay tiếp cận với phân bón tổng hợp. Sử dụng phân bón không đủ ở đó làm cho không có đủ nitrogen ở trong đất để cây cối tăng trưởng tối ưu, hạn chế trầm trọng năng suất hoa màu và đưa đến suy dinh dưỡng. Thâm canh với phân bón hạn chế cũng có nghĩa là nông dân làm cạn kiệt dự trữ chất dinh dưỡng trong đất không có chủ ý, trong 30 năm qua, đất ở sub-Sahara Phi Châu đã mất nitrogen trung bình 22 kg mỗi hectare (20 lbs/acre).
Ở nhiều nơi ở Âu Châu và Hoa Kỳ, việc sử dụng phân bón vừa phải hơn, nhưng ô nghiễm nitrogen vẫn là một vấn đề gây áp lực. Ở Netherlands, quốc gia có mật độ gia súc cao nhất trên thế giới, ô nhiễm nitrogen quá mức đang tàn phá hệ sinh thái. Một phân tích trong năm 2011 ước tính rằng ô nhiễm nitrogen làm cho EU mất từ 70 tỉ đến 320 tỉ euros mỗi năm (97 và 445 tỉ USD vào lúc đó) –trên gấp đôi trị giá được ước tính mà phân bón thêm vào thu nhập canh tác của EU.
Sử dụng quá mức làm tồi tệ chu kỳ nitrogen bị rò rỉ
Sự dễ dàng để dòng chảy nitrogen từ đất nông nghiệp vào môi trường đã giữ nhân loại trong một chu kỳ xấu. Nông dân phải bón phân để cung cấp nitrogen cần thiết của hoa màu, nhưng hầu hết nitrogen đó bị mất, trở thành một chất ô nhiễm nguy hại.
Và “Mọi thứ bị mất hay lấy đi từ hệ thống nông nghiệp đã được thay thế,” Einarsson giải thích, bằng cách trồng hoa màu sửa nitrogen, hay bón phân tổng hợp.
Chỉ có 20% nitrogen bón cho đất nông nghiệp như phân bón đi vào thực phẩm của chúng ta, một tiến trình đo đạc được biết như hiệu năng sử dụng nitrogen. “Mất mát 80% đó đi trở lại môi trường, và [đóng góp vào] một nền kinh tế rất không tuần hoàn,” Sutton nói. Điều đó không có hiệu quả và nguy hại lớn lao.
Hiệu năng sử dụng nitrogen thay đổi rất lớn tùy theo loại hoa màu, loại đất và khí hậu ở địa phương, nhưng có một cái chung. Nó tụt giảm khi phân bón được sử dụng quá mức. Thí dụ cho đến khi nào đòi hỏi nitrogen của hoa màu được đáp ứng và sử dụng quá mức xảy ra sau đó, nitrous oxide phóng thích từ đất.
Ở Âu Châu, khi những quy định môi trường chặt chẽ hơn và việc sử dụng phân bón có chủ đích hơn, hiệu năng sử dụng nitrogen thường cao hơn ở Trung Hoa, nơi phân bón thường được sử dụng quá mức. Đất ở sub-Sahara Phi Châu quá cạn kiệt, và hoa màu quá đói nitrogen, có đến 80% của một ít phân bón được áp dụng được hoa màu lấy đi.
Ở hầu hết sub-Sahara Phi Châu, nông dân không thể cáng đáng hay tiếp cận với phân bón. Thâm canh với phân bón hạn chế có nghĩa là nông dân đang làm cạn kiệt dự trữ chất dinh dưỡng trong đất không có chủ ý. Trong 30 năm qua, đất trong vùng nầy của thế giới đã mất trung bình 22 kg nitrogen cho mỗi hectare, hay 20 pounds cho mỗi acre.
[Ảnh: Alliance of Bioversity International and CIAT]
Mối liên hệ không thẳng hàng nầy giữa việc bón phân và ô nhiễm nitrogen có nghĩa nông dân ờ sub-Sahara Phi Châu có thể gia tăng lớn lao việc sử dụng phân bón của họ với ảnh hưởng tương đối nhỏ đối với việc phóng thích nitrogen gây ra thay đổi khí hậu. Ngược lại, giảm sử dụng phân bón trong các quốc gia như Trung Hoa có thể cung cấp một lợi ích lớn không cân xứng để cắt giảm thay đổi khí hậu bằng cách cắt nitrous oxide nông nghiệp.
Trong những khu vực nơi phân bón tổng hợp được dùng quá mức, nông dân đang cắt việc sử dụng lớn lao “không chỉ có thể duy trì năng suất, mà còn có tiềm năng gia tăng năng suất của họ. “Đó là vì một sự sụt giảm trong nhập lượng nitrogen sẽ giảm nhẹ ảnh hưởng địa phương của ô nhiễm nitrogen, Kanter nói.
Nhưng không may, chỉ đơn giản cắt bớt việc sử dụng phân bón mà không thay đổi kỹ thuật và xã hội không phải là một chọn lựa. Chúng ta không thể thực hiện những biên giới mục tiêu môi trường được dồng ý, mà không có gia tăng trong hiệu năng sử dụng nitrogen.
Những giải pháp kinh tế tuần hoàn
Các hoạt động của con người nay đã thúc đẩy chúng ta qua khỏi vùng an toàn của 6 trong số 9 biên giới hành tinh, vì thế giải quyết thói quen quản lý nitrogen kém chưa bao giờ cấp bách hơn. “Trở lại biên giới hành tinh [an toàn] cho nitrogen cũng phải làm cho nó dễ dàng hơn để trở lại [an toàn cho] mọi biên giới hành tinh căn bản khác,” Kanter nói.
Tuyên bố đó đáng được gạch dưới: giải quyết thành công việc sử dụng nitrogen quá mức trong nông nghiệp có thể có ảnh hưởng tích cực đến nhiều câu hỏi hắc bùa về môi trường tồi tệ của nhân loại. May thay, có nhiều giải pháp trong tay – miễn là chúng ta có ý chí chánh trị để nắm lấy chúng.
Nghiên cứu đề nghị rằng ít nhất 1/3 của nitrogen bị mất có thể tránh được qua quản lý tốt hơn và kỹ thuật tốt hơn. Những giải pháp nầy nằm trong 3 loại: cải thiện hiệu năng sử dụng phân bón nitrogen để nhiều chất dinh dưỡng hơn có thể đến thực phẩm của chúng ta; nâng cao sự hấp thu nitrogen tự nhiên, và phục hồi và tái sử dụng nitrogen hiện đang bị thải bỏ.
Giải pháp 1: cải thiện hiệu năng sử dụng nitrogen
Các kỹ thuật nông nghiệp chính xác có thể gia tăng hiệu năng sử dụng nitrogen bằng cách cho phân bón vào đất trực tiếp, và áp dụng một số lượng đúng và những giai đoạn tăng trưởng đúng để tối đa hóa lượng lấy vào của hoa màu. Các kỹ thuật đã có để đáp ứng những đòi hỏi nầy.
Khoảng 200 triệu tấn nitrogen hiện mất vào môi trường mỗi năm từ những hoạt động của con người. Vì thế cải thiện hiệu năng sử dụng nitrogen không chỉ làm giảm ô nhiễm, nó có thể tiết kiệm cho nông dân một số tiền lớn vì họ chỉ cần một số lượng phân bón ít hơn nhiều.
“Gia tăng hiệu năng sử dụng nitrogen vô cùng quan trọng để giảm thêm mất mát [nitrogen],” de Vries nói.
Gia tăng sử dụng nitrogen được thu nhập cho hoa màu như clover có thể mang nhiều nitrogen vào hệ thống nông nghiệp và giảm sự lệ thuộc vào phân bón tổng hợp gây ô nhiễm nitrogen của con người. [Ảnh: Mari Dallavara]
Giải pháp 2: nâng cao mức thu hút nitrogen tự nhiên
Gia tăng việc sử dụng nitrogen được thu hút cho hoa màu, chẳng hạn như clover và vetch, có thể mang lại nhiều nitrogen vào hệ thống nông nghiệp một cách tự nhiên và giảm sự cần thiết của phân bón tổng hợp.
Nông dân Zimbabwe Kumbirai và Lilian Chimbadzwa đứng giữa hoa màu bón phân xanh và thu hút nitrogen mang trở lại độ phì nhiêu của đất có thể cáng đáng được và không cần phân bón tổng hợp nitrogen. Những kỹ thuật nông nghiệp được chấp nhận khác gồm có siết chặt dự trữ của phân chuồng và giới thiệu vùng đệm nông lâm nghiệp.
[Ảnh: Shiela Chikulo]
Nhưng không may, lối thực hành canh tác truyền thống nầy đã nhường chỗ trong thế kỷ qua cho thâm canh của doanh nghiệp nông nghiệp kỹ nghệ, dùng phân bón tổng hợp để đơn canh hoa màu năng suất cao có lợi nhuận nhiều.
Những giải pháp kỹ thuật sinh học mới cũng có thể giúp giải quyết vấn đề thu hút, bằng những hoa màu kỹ thuật di truyền để nâng cao khả năng hấp thu nitrogen hiện nay của chúng, hay bằng cách giới thiệu khả năng đó vào hoa màu hiện không có khả năng đó.
Giải pháp 3: phục hồi nitrogen đã mất
Nitrogen bị thải bỏ có thể được phục hồ và tái sử dụng ở mỗi bước của hệ thống thực phẩm, giảm sự cần thiết của phân bón tổng hợp và cắt giảm ô nhiễm.
Trên đồng, chất dư thừa của hoa màu có thể được tái chế để cung cấp phân bón hữu cơ. Phân chuồng được dự trữ cũng có thể dùng để giảm phóng thích ammoni vào khí quyển, cho phép thêm nitrogen được giữ lại trở lại dất khi phân chuồng được rải.
Nối lại canh tác hoa màu và gia súc làm cho nông dân dễ dàng hơn để dùng phân chuồng như một tài nguyên và dựa ít hơn vào phân bón tổng hợp. Phân chuồng được dự trữ có thể được dùng để giảm phóng thích ammonia vào khí quyển. [Ảnh: Andrew]
Cũng thế, nối hoa màu và gia súc sẽ làm dễ dàng hơn cho nông dân dùng phân chuồng và ít dựa vào phân tổng hợp. Trong thế kỷ qua, “phân bón tổng hợp đã cho phép chúng ta tách rời việc chăn nuôi gia súc với canh tác hoa màu,” Einersson ghi nhận, một phát triển có lợi nhuận kinh tế cho nông dân nhưng có kết quả nguy hại cho môi trường.
Nơi từng có những trang trại hỗn hợp, với phân chuồng giàu nitrogen được dùng để bón phân cho hoa màu, ngày nay đất phù nhiêu nhất được dùng để sản xuất hoa màu đặc biệt, phần lớn được bón phân tổng hợp nitrogen, trong khi gia súc được đẩy qua lề ít sản xuất hơn.
Khi bạn kỹ nghệ hóa, bạn chuyên môn hóa,” Kanter giải thích. Bằng cách ghép đôi sản xuất hoa màu với gia súc, chúng ta làm nó khó hơn để thực hiện những giải pháp tuần hoàn.
Cắt chất thải nitrogen trong chuỗi cung cấp thực phẩm
Ảnh hưởng của nitrogen cũng có thể được cắt bớt bằng cách giảm chất thải nitrogen. Ước tính có 30% thực phẩm được sản xuất trên toàn cầu bị thải bỏ trong khi canh tác, chế biến và tiêu thụ (mặc dù một số gồm có rau cải và vỏ trái cây, xương thú vật, và những chất hữu cơ không ăn được).
Tối thiểu hóa chất thải nầy có thể làm giảm nhu cầu đối với hệ thống nông nghiệp, vì thế giảm sự cần thiết của phân bón tổng hợp. Một nghiên cứu thấy rằng giảm chất thải thực phẩm 50% có thể hạ thấp tổng số phóng thích nitrous oxide 10-20%, giúp cắt giảm thay đổi khí hậu.
Trong các trị trấn và thành phố của chúng ta, nitrates nông nghiệp trong nguồn nước có thể được biến thành một nguồn phân bón. Hiện nay, để tránh phú dưỡng và ô nhiễm nước uống, các nhà máy lọc nước thải của đô thị loại nitrates, rồi phóng thích nitrogen nầy trở lại khí quyển như N2 không phản ứng qua một tiến trình gọi là khử nitrogen (denitrification).
Một phân tích cho thấy khoảng 40 tỉ USD trị giá của nitrogen được sản xuất mỗi năm bằng tiến trình Haber-Bosch không trồng thực phẩm của chúng ta, mà cuối cùng được loại ra từ nước bởi những nhà máy lọc nước và phóng vào bầu trời.
“Đó là một chất thải của những nguồn rất tốn kém,” Sutton nói.
Chúng ta có thể “tái thiết kế những nhà máy lọc nước thải của chúng ta cho tương lai, không [thải] nitrogen đó qua việc khử nitrogen, nhưng để phục hồi nó và cho vào bao phân bón,” Sutton nói. Kỹ thuật sáng tạo nay trong giai đoạn phát triển có thể biến các cơ sở lọc nước thải hiện nay thành “những nhà máy phân phối phân bón cho tương lai.”
Tuy nhiên, nhiều đầu tư quan trọng trong việc sửa chữa hạ tầng cơ sở nước thải rất cần thiết để thực hiện những kỹ thuật nầy ở kích thước đòi hỏi, Sutton nói. Trong dài hạn, những đầu tư nầy có thể tự trả tiền cho mình, bằng cách cung cấp nitrogen được phục hồi như một chất thay thế cho phân bón, giảm lệ thuộc vào tiến trình Haber-Bosch tốn kém về mặt tài chánh và môi trường.
Những kỹ thuật sáng tạo đang được phát triển có thể lấy nitrogen trong nước thải và biến nó thành phân bón, thay vì bỏ di bằng cách phóng thích vào khí quyển như N2.
[Ảnh: Thomas Hawk]
Chất thải rắn dư thừa từ những nhà máy lọc nước thải, được gọi là ‘bùn đặc nước cống (sewage sludge)’, được sử dụng rộng rãi như phân bón nông nghiệp. Nhưng bằng cách thay thế việc khử nitrogen với các kỹ thuật phục hồi nitrogen, “một số lượng lớn hơn nhiều của nitrogen có thể được biến thành phân bón,” Sutton giải thích.
Các nhà môi trường đã nêu lên lo ngại về ô nhiễm của phân bón bùn đặc nước cống với một hỗn hợp của các hóa chất độc hại từ nước thải kỹ nghệ, gồm có polychlorinated biphenyls, dioxins, phthales và microplastics. Tách biệt những dòng nước thải gia cư và kỹ nghệ sẽ làm giảm những lo ngại nầy và cho phép chế biến có hiệu quả hơn để biến bùn đặc nước cống thành phân bón, Sutton nói.
Ngoài ra, các kỹ thuật mới lạ có thể loại nhiều chất ô nhiễm khỏi nước thải gia cư và phục hồi nhiều hơn nitrogen có thể tiếp cận với cây cối từ phân chuồng, bùn đặc nước cống và những chất thải sinh học khác, với tiềm năng thay thế khoảng 10% phân bón nitrogen tổng hợp. “Tái sử dụng tuần hoàn, tái chế, và tái sử dụng để tạo ra sản phẩm tốt hơn (upcycling) cái hiện nay được xem như nhất thải [là] một cơ hội hiển nhiên để gia tăng hiệu năng của hệ thống nói chung và giảm chất thải,” Einarsson nói. Tuy nhiên, sự tuần hoàn phải được xem trong khái niệm hệ thống, giảm sự cần thiết của nhập kiện mới,” ông cảnh báo.
Nếu chúng ta học hỏi để tái sử dụng nitrogen có hiệu quả thay vì bỏ đi, chúng ta có thể sản xuất và sử dụng ít phân bón tổng hợp. Nếu, tuy nhiên, chúng ta áp dụng những giải pháp để giảm mất mát nitrogen mà không cắt giảm việc sử dụng phân bón, chúng ta đang rủi ro làm cho ô nhiễm nitrogen tồi tệ hơn.
Thay đổi ẩm thực cho một hành tinh lành mạnh
Những giải pháp tuần hoàn vừa nêu có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm dấu chân môi trường của nitrogen. Nhưng chính chúng không đủ để mang chúng ta trở lại vùng an toàn của biên giới hành tinh nitrogen. Cắt giảm lớn lao việc sử dụng phân bón nitrogen ở Âu Châu, thí dụ, chỉ làm giảm mất mát nitrogen ở đó 30%.
Nhưng kết hợp những giải pháp quản lý và kỹ thuật được thảo luận cho đến nay với những thay đổi xã hội có thể thực hiện cắt giảm đáng kể hơn.
Một giải pháp then chốt xoay quanh thay đổi ẩm thực. Hiện nay, khoảng 2/3 đất nông nghiệp được dùng để nuôi gia súc để cung cấp thịt và sản phẩm sữa. Nhưng chất đạm cây cối cung cấp việc sử dụng nitrogen tốt hơn nhiều.
“Nếu bạn đang có một ẩm thực dựa trên cây cối, nó hiệu quả hơn nhiều,” de Vries nói.
Giảm tỉ lệ của chất đạm dộng vật trong ẩm thực của con người, nhất là ở Âu Châu và Bắc Mỹ nơi việc tiêu thụ thịt đã tăng vọt trong ½ thế kỷ qua, có thể giảm lớn lao sự lệ thuộc vào phân bón tổng hợp. Nhưng sự thay đổi xã hội nầy có nhiều thách thức để thực hiện hơn các giải pháp kỹ thuật, dựa vào những lựa chọn cá nhân của hàng tỉ người.
Giảm tỉ lệ của chất đạm động vật trong ẩm thực, nhất là ở Âu Châu và Bắc Mỹ có thể giảm lớn lao sự lệ thuộc vào phân tổng hợp của nhân loại. [Ảnh: A.C. Moraes]
Khoa học và chánh sách đứt đoạn
Một chướng ngại khác để thay đổi nhanh chóng: Những rắc rối của ô nhiễm nitrogen tràn ngập nhiều lãnh vực khoa học và các thành phần chánh sách, vì thế nỗ lực để hiểu và giải quyết vấn đề đã bị đứt đoạn trên khắp các môn khoa học và khuôn khổ chánh sách.
Kết quả là, những hành động cô lập có thể gây ra những đánh đổi không thể thấy trước, với một chánh sách được thiết kế để giảm 1 nguồn ô nhiễm vô tình gia tăng một nguồn khác, và những cộng hưởng tiềm tàng bị bỏ qua.
Trong năm 2020, Kanter và các đồng nghiệp tổng hợp một kho dữ kiện của các chánh sách nitrogen toàn cầu. Phân tích của họ cho thấy một vài thiếu sót nghiêm trọng trong việc kết hợp giữa các thành phần môi trường.
Kanter rất ngạc nhiên để khám phá rằng “phần lớn những chánh sách trong thành phần nông nghiệp hoặc là không khích lệ hay làm dễ dàng việc sử dụng nitrogen.”
Những chánh sách quốc gia và khu vực hầu hết đã chú trọng đến việc làm giảm ô nhiễm nitrogen của không khí và nước, nhưng nitrogen phần lớn đã bị bỏ quên trong những chánh sách khí hậu. Thí dụ, mặc dù nitrous oxide đóng góp đáng kể trong sự cạn kiệt của ozone và thay đổi khí hậu, nó không được kiểm soát bởi Nghị định thư Montreal về ozone, cững không được bao gồm trong hầu hết đóng góp được xác định của quốc gia để giảm phóng thích khí nhà kiếng trong thỏa ước khí hậu Paris.
“Nếu bạn kết nó lại với nhau, bạn có một hình ảnh lớn hơn, mạnh hơn để có hành động, và ít có lý do để chống đối,” Sutton, là chủ tịch của INI từ năm 2012 đến 2018, nói.
Trong năm 2016, Chương trình Môi trường của Liên Hiệp Quốc (LHQ) (UNEP) và INI phát động một Hệ thống Quản lý Nitrogen Quốc tế, thu thập bằng chứng để hỗ trợ cho các chánh sách quốc tế để quản lý nitrogen tốt hơn. INI cũng phát triển một dụng cụ dấu chân nitrogen gọi là vết Nitrogen (N-print), cho phép các cá nhân và tổ chức tính mức phóng thích nitrogen của họ.
Các tổ chức quốc tế đang có những bước để giải quyết một số nguồn phóng thích nitrogen nghiêm trọng nhất. Chiến lược Canh tác đến Nĩa 2020 của Ủy hội Âu Châu đưa ra những mục tiêu để giảm ô nhiễm nitrogen vào năm 2030, gồm có giảm 50% trong mất mát nitrogen từ các hệ thống thực phẩm.
Đây là một “mục tiêu đầy tham vọng vô cùng,” Einarsson nói. Trong năm 2022, Quy ước về Đa dạng Sinh học của LHQ tiếp theo, đưa ra một mục tiêu để cắt giảm ½ mất mát nitrogen vào năm 2030 như một phần của Khuôn khổ Đa dạng Sinh học Toàn cầu Kunming-Montreal.
Chiến lược Cánh đồng đến Nĩa nói nó sẽ đòi hỏi giảm ít nhất 20% việc sử dụng phân bón nitrogen tổng hợp để thực hiện mục tiêu của nó. Tuy nhiên, nghiên cứu được công bố trong năm nay đề nghị những biện pháp được đề nghị của chánh sách sẽ không đủ để dạt được mục tiêu giảm ½ nitrogen mất mát.
Tình trạng hiện nay của các biến số kiểm soát cho tất cả 9 biên giới hành tinh, theo nghiên cứu mới. [Ảnh: Richardson]
Cân bằng các mục tiêu môi trường với cuộc sống
Những mục tiêu nitrogen quốc tế nầy cần được diễn dịch vào chánh sách quốc gia một cách cẩn thận, các chuyên viên nói. Đời sống và cuộc sống tùy thuộc vào nó.
Hiện nay, hầu hết chánh sách để giải quyết ô nhiễm nitrogen đã chú trọng sai lầm đến việc thay đổi thái độ của nông dân, Kanter nói. “Chúng dựa trên giả thiết rằng nông dân có nhiều tự trị và nhiều sức mạnh lấy quyết định, trong khi thực sự, họ không có.” Ông nói thêm, “có những hạn chế thị trường, hạn chế quy định, hạn chế xã hội, hạn chế kiến thức, [và] hạng chế đất… thường được đặt ra bởi các diễn viên và sức mạnh ở ngoài nông trại.”
Minh họa cho vấn đề nầy là những tranh chấp không đoán trước gần đây giữa nông dân, những nhà môi trường và những nhà làm chánh sách ở Netherlands. Những ý định của các chánh phủ Dutch để giải quyết khủng hoảng nitrogen bắng cách giảm số bò, heo và gà được nuôi gặp phải những chống đối giận dữ từ nông dân, nói cuộc sống của họ đang bị tấn công.
Kanter tin rằng những đường lối chánh sách thay thế, nhắm đến những nhà sản xuất phân tổng hợp thay vì người tiêu thụ, có thể là những động cơ thay đổi hữu hiệu hơn. Ông đề nghị rằng các tiêu chuẩn thực hành cho các nhà sản xuất phân bón của chánh phủ có thể thúc đẩy sáng tạo trong thành phần được thay đổi rất ít kể từ tiến trình Haber-Bosch được phát minh trên 1 thế kỷ trước. Nhưng đó có thể là một thách thức chánh trị để thực hiện, vì việc sản xuất phân bón nitrogen được buộc chặt vào kỹ nghệ nhiên liệu hóa thạch đầy thế lực.
Cộng đồng toàn cầu đã thành công trong quá khứ trong việc đối phó với những vượt qua biên giới hành tinh, hiệu quả cùa Nghị định thư Montreal trong việc đối phó với CFCs làm cạn kiệt ozone là một thí dụ tiêu biểu. Nhưng giảm phóng thích nitrous oxide sẽ không đơn giản. Trong khi CFCs được sản xuất bởi một số nhỏ kỹ nghệ, giảm ô nhiễm nitrogen đòi hỏi những thay đổi cơ bản trên toàn hệ thống thực phẩm.
“Bạn có nhiều diễn viên đa dạng khiến nó khó hơn nhiều để điếu động thay đổi,” Sutton nói.
Những chuyên viên nói chuyện với Mongabay cũng trầm ngâm về những lối thực hành trong tương lai trong việc phát triển quốc gia. Họ sẽ theo con đường cùa các quốc gia OECD giàu có đã đi trong thế kỷ qua – gia tăng sử dụng phân bón tổng hợp và tiêu thụ thịt khi các nước nghèo giảm – liệu họ có thể tránh chu kỳ xấu xa của chất thải nitrogen, và sử dụng khôn ngoan hơn thành phần vô cùng quan trọng nầy để nâng cao việc sản xuất thực phẩm trong khi tôn trọng những biên giới hành tinh?
Một số lo ngại rằng ô nhiễm nitrogen có thể chứng tỏ thách thức để giải quyết hơn thay đổi khí hậu vì vai trò cần thiết mà nguyên tố nầy đóng cho đời sống trên Trái đất. “Bạn có thể tưởng tượng một thế giới không có CFCs.. ngay cả tưởng tượng một hệ thống năng lượng không có carbon, [nhưng] bạn không thể tưởng tượng một hệ thống thực phẩm không có nitrogen,” Kanter nói.
Trích dẫn:
Vitousek, P. M., Aber, J., Howarth, R. W., Likens, G. E., Matson, P. A., Schindler, D. W., … Tilman, G. D. (1997). Human alterations of the global nitrogen cycle: Causes and consequences. Issues in Ecology, 1. Retrieved from https://www.esa.org/esa/wp-content/uploads/2013/03/issue1.pdf
Townsend, A. R., Howarth, R. W., Bazzaz, F. A., Booth, M. S., Cleveland, C. C., Collinge, S. K., … Wolfe, A. H. (2003). Human health effects of a changing global nitrogen cycle. Frontiers in Ecology and the Environment, 1(5), 240-246. doi:10.2307/3868011
De Vries, W., Kros, J., Kroeze, C., & Seitzinger, S. P. (2013). Assessing planetary and regional nitrogen boundaries related to food security and adverse environmental impacts. Current Opinion in Environmental Sustainability, 5(3-4), 392-402. doi:10.1016/j.cosust.2013.07.004
Aryal, B., Gurung, R., Camargo, A. F., Fongaro, G., Treichel, H., Mainali, B., … Puadel, S. R. (2022). Nitrous oxide emission in altered nitrogen cycle and implications for climate change. Environmental Pollution, 314, 120272. doi:10.1016/j.envpol.2022.120272
Ravishankara, A. R., Daniel, J. S., & Portmann, R. W. (2009). Nitrous oxide (N2O): The dominant ozone-depleting substance emitted in the 21st century. Science, 326(5949), 123-125. doi:10.1126/science.1176985
De Vries, W. (2021). Impacts of nitrogen emissions on ecosystems and human health: A mini review. Current Opinion in Environmental Science & Health, 21, 100249. doi:10.1016/j.coesh.2021.100249
Sinha, E., Michalak, A. M., & Balaji, V. (2017). Eutrophication will increase during the 21st century as a result of precipitation changes. Science, 357(6349), 405-408. doi:10.1126/science.aan2409
Griffis, T. J., Chen, Z., Baker, J. M., Wood, J. D., Millet, D. B., Lee, X., … Turner, P. A. (2017). Nitrous oxide emissions are enhanced in a warmer and wetter world. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(45), 12081-12085. doi:10.1073/pnas.1704552114
Rockström, J., Steffen, W., Noone, K., Persson, Å., Chapin, F. S., Lambin, E. F., … & Foley, J. A. (2009). A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263), 472-475. doi:10.1038/461472a
Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S. E., Fetzer, I., Bennett, E. M., … Sörlin, S. (2015). Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science, 347(6223), 1259855. doi:10.1126/science.1259855
Schulte-Uebbing, L. F., Beusen, A. H. W., Bouwman, A. F., & De Vries, W. (2022). From planetary to regional boundaries for agricultural nitrogen pollution. Nature, 610(7932), 507-512. doi:10.1038/s41586-022-05158-2
Gilbert, N. (2012). African agriculture: Dirt poor. Nature, 483(7391), 525-527. doi:10.1038/483525a
Sutton, M. A., Howard, C. M., Erisman, J. W., Billen, G., Bleeker, A., Grennfelt, P., … Grizzetti, B. (Eds.). (2011). The European nitrogen assessment: Sources, effects and policy perspectives. Cambridge University Press.
Shcherbak, I., Millar, N., & Robertson, G. P. (2014). Global metaanalysis of the nonlinear response of soil nitrous oxide (N2O) emissions to fertilizer nitrogen. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(25), 9199-9204. doi:10.1073/pnas.1322434111
You, L., Ros, G. H., Chen, Y., Shao, Q., Young, M. D., Zhang, F., & De Vries, W. (2023). Global mean nitrogen recovery efficiency in croplands can be enhanced by optimal nutrient, crop and soil management practices. Nature Communications, 14(1). doi:10.1038/s41467-023-41504-2
Schulte-Uebbing, L. F., & De Vries, W. (2021). Reconciling food production and environmental boundaries for nitrogen in the European Union. Science of The Total Environment, 786, 147427. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.147427
Gu, B., Zhang, X., Lam, S. K., Yu, Y., Van Grinsven, H. J., Zhang, S., … Chen, D. (2023). Cost-effective mitigation of nitrogen pollution from global croplands. Nature, 613(7942), 77-84. doi:10.1038/s41586-022-05481-8
Finger, R., Swinton, S. M., El Benni, N., & Walter, A. (2019). Precision farming at the nexus of agricultural production and the environment. Annual Review of Resource Economics, 11(1), 313-335. doi:10.1146/annurev-resource-100518-093929
Chakraborty, S., Venkataraman, M., Infante, V., Pfleger, B. F., & Ané, J.-M. (2023). Scripting a new dialogue between diazotrophs and crops. Trends in Microbiology. doi:10.1016/j.tim.2023.08.007
Guo, K., Yang, J., Yu, N., Luo, L., & Wang, E. (2023). Biological nitrogen fixation in cereal crops: Progress, strategies, and perspectives. Plant Communications, 4(2), 100499. doi:10.1016/j.xplc.2022.100499
Zhang, X., & Liu, Y. (2021). Circular economy-driven ammonium recovery from municipal wastewater: State of the art, challenges and solutions forward. Bioresource Technology, 334, 125231. doi:10.1016/j.biortech.2021.125231
Grizzetti, B., Vigiak, O., Aguilera, E., Aloe, A, Biganzoli, F., Billen, G., … Zanni, M. (2023). Knowledge for Integrated Nutrient Management Action Plan (INMAP), Publications Office of the European Union. doi:10.2760/692320
Billen, G., Aguilera, E., Einarsson, R., Garnier, J., Gingrich, S., Grizzetti, B., … Sanz-Cobena, A. (2024). Beyond the Farm to Fork Strategy: Methodology for designing a European agro-ecological future. Science of The Total Environment, 908, 168160. doi:10.1016/j.scitotenv.2023.168160
Kanter, D. R., Chodos, O., Nordland, O., Rutigliano, M., & Winiwarter, W. (2020). Gaps and opportunities in nitrogen pollution policies around the world. Nature Sustainability, 3(11), 956-963. doi:10.1038/s41893-020-0577-7
Kanter, D. R., Ogle, S. M., & Winiwarter, W. (2020). Building on Paris: Integrating nitrous oxide mitigation into future climate policy. Current Opinion in Environmental Sustainability, 47, 7-12. doi:10.1016/j.cosust.2020.04.005
Sutton, M., Raghuram, N., Adhya, T. K., Baron, J., Cox, C., de Vries, W., … Masso, C. (2019). The nitrogen fix: from nitrogen cycle pollution to nitrogen circular economy. In Frontiers 2018/2019: Emerging Issues of Environmental Concern
(pp. 52-64). United Nations Environment Programme. Retrieved from https://wedocs.unep.org/20.500.11822/27543
No comments:
Post a Comment