Дополнительные питательные вещества, добавленные к сельскохозяйственным культурам, привели к тому, что население выросло с 1,6 млрд человек в 1900 году до почти 7,8 млрд на сегодняшний день. Удобрения позволили расширить производство продуктов питания, но интенсификация сельского хозяйства дорого обходится окружающей среде, климату и здоровью людей, животных и почвы. На глобальное производство удобрений приходится около 1,4% ежегодных выбросов углекислого газа, а использование удобрений является основным источником выбросов других парниковых газов, сообщает издание Carbon Brief.
Ученые и фермеры столкнулись с новой дилеммой: как прокормить все еще растущее население, одновременно снижая воздействие сельского хозяйства на климат и окружающую среду. Некоторые пытаются полностью прекратить использование удобрений, другие ищут способы оптимизации применения и управления удобрениями, а третьи пытаются восстановить потерянные питательные вещества из переработанных отходов.
Помимо углекислого газа и воды, растению для роста необходимы три основных питательных вещества в больших количествах: азот, фосфор и калий. Эти питательные вещества, которые всасываются из почвы корневой системой растения, играют важную роль. Азот является основным компонентом хлорофилла, необходимого для фотосинтеза, и аминокислот, имеющих решающее значение для развития растений. Фосфор активно участвует в том, как растения производят энергию. Калий играет ключевую роль в регулировании того, как растение транспортирует и использует воду. При отсутствии вмешательства человека растения поддерживают бережный баланс питательных веществ в почве. Но на протяжении тысячелетий люди добавляли этих веществ больше в виде удобрений, чтобы стимулировать рост растений и повысить урожайность.
Удобрения можно разделить на две категории: органические удобрения и минеральные, иногда называемые химическими или синтетическими удобрениями. Вместе азотные, фосфорные и калийные удобрения известны как «удобрения NPK».
Согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), сегодня в мире ежегодно применяется более 100 млн т синтетических азотных удобрений для выращивания сельскохозяйственных культур. Около половины этого объема используется для увеличения производства зерновых, преимущественно кукурузы, пшеницы и риса. Кроме того, ежегодно используется около 50 млн т фосфорных удобрений и более 40 млн т калия. Шесть компаний имеют рыночную капитализацию в десятки миллиардов долларов США: канадская Nutrien, австралийская Wesfarmers, американская CF Industries, SABIC Agri-Nutrients Company (Саудовская Аравия), американская Mosaic Company и израильская ICL Group. Использование синтетических удобрений широко распространено в США, Канаде и Западной Европе, где крупномасштабное механизированное сельское хозяйство является нормой. Оно также распространено в нескольких крупных быстрорастущих экономиках, включая Бразилию, Китай и Индию. Напротив, в большинстве стран Африки использование удобрений невелико, за исключением Египта.
В промышленных масштабах азотные удобрения производятся с использованием химической реакции, известной как процесс Габера-Боша: сжигается ископаемый газ для получения газообразного водорода, затем берется этот водород и азот из воздуха и измельчаются при высокой температуре и давлении для получения аммиака. И Фриц Габер, и Карл Бош получили Нобелевскую премию по химии (в 1918 и 1931 годах соответственно) в знак признания их работы по разработке процесса и других химических реакций под высоким давлением. Однако только после Второй мировой войны использование удобрений во всем мире начало стремительно расти. Согласно специальному отчету Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2019 год об изменении климата и земле, с 1960 года количество ежегодно используемых удобрений увеличилось почти в 10 раз. Это увеличение использования удобрений шло рука об руку с увеличением урожайности продовольствия — мировое производство зерновых выросло в три-четыре раза за тот же период. Быстрое расширение использования синтетических удобрений совпало с Зеленой революцией, крупномасштабным толчком к увеличению сельскохозяйственного производства во всем мире в 1960-х годах, особенно на глобальном юге. Зеленая революция связана с выведением новых сортов сельскохозяйственных культур, генетически модифицированных для получения более высоких урожаев, а также более широким использованием агрохимикатов, ирригации и механизации. Но вся эта повышенная производительность стала возможной только благодаря расширению производства удобрений, считает ученый-эколог из британского Центра экологии и гидрологии Марк Саттон: «Генная инженерия была двигателем Зеленой революции, но топливом Зеленой революции для питания двигателя были удобрения».
Однако массовое внедрение синтетических удобрений дорого обходится окружающей среде. Поскольку процесс Габера-Боша осуществляется при высокой температуре и давлении, выбросы парниковых газов, связанные с ним, значительны.
В отличие от азота, фосфор и калий в ограниченных количествах содержатся в почве. Из-за этого они создают свои собственные уникальные проблемы и свои собственные угрозы для окружающей среды. Фосфорная руда добывается, а затем обрабатывается серной кислотой для получения фосфорной кислоты, которая может быть преобразована в множество различных фосфорных удобрений. Мировые месторождения фосфора очень концентрированы: около 85% мировых запасов находится всего в пяти странах, а 70% общих запасов находятся в Марокко и Западной Сахаре. Другими крупными странами-производителями являются Китай, США и Россия. Такая концентрация запасов и производства делает большую часть мира уязвимой. Например, во время мирового финансового кризиса 2008 года цены на фосфорную руду выросли на 800%. Как и в случае со многими ископаемыми ресурсами, наиболее качественные запасы фосфора часто истощаются первыми. По мере истощения более чистых месторождений необходимо добывать больше породы, чтобы получить такое же количество пригодного для использования фосфора. Эти менее чистые месторождения также требуют более интенсивной обработки для удаления вредных примесей, таких как кадмий, мышьяк и свинец. Если их не обработать должным образом, эти загрязняющие вещества могут в конечном итоге распространиться по полям и попасть в растения.
Хотя дискуссии о воздействии удобрений на окружающую среду, как правило, сосредоточены на азоте, ограниченное количество фосфора в Земле означает, что этот ресурс на самом деле является более насущной проблемой, считает инженер-эколог из Университета Лаваля (Канада) Селин Ванекхаут. А по мнению профессора Аманды Посселт Мартинс, почвоведа из Федеральный университета Риу-Гранди-ду-Сул (Бразилия), помимо энергоемких процессов добычи, необходимых для извлечения минералов из земли, глобальная торговля этими строго локализованными питательными веществами нарушает естественный круговорот питательных веществ на Земле. «Глобальный круговорот питательных веществ полностью разбалансирован. Это ужасно с точки зрения устойчивости — социальной, экономической и особенно экологической устойчивости», — сказала она.
Удобрения способствуют изменению климата. Энергоемкие процессы добычи и производства требуют сжигания значительного количества ископаемого топлива для превращения сырья в пригодные для использования удобрения. Многие виды удобрений транспортируются на большие расстояния. Как и в случае с выбросами, связанными с пищевыми продуктами, считалось, что транспорт составляет лишь небольшую часть выбросов парниковых газов от удобрений — всего несколько процентов от общего количества. Однако недавние исследования показали, что транспортные выбросы, связанные со всей продовольственной системой, включая транспортировку удобрений, техники и кормов для животных, значительно выше, чем предполагалось ранее. При внесении в почву азотсодержащих удобрений часть химически активного азота поглощается растениями, а другая часть теряется в окружающей среде. Сток питательных веществ может способствовать цветению водорослей, выделяя метан и приводя к снижению содержания кислорода в водотоках, что может привести к гибели рыбы. В шестом оценочном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится, что рост выбросов закиси азота преобладает в сельском хозяйстве, особенно в результате внесения навоза и использования азотных удобрений. Однако полная картина круговорота азота и его роли в климате не так проста. Азот, применяемый для выращивания сельскохозяйственных культур, также может попадать в атмосферу в виде газообразного аммиака, который может образовывать твердые частицы, поглощающие или отражающие солнечный свет и создавать согревающий и охлаждающий эффекты. Охлаждение – эффект краткосрочный, а вот стремление к потеплению – долгосрочная тенденция, предупреждает Саттон. Такие твердые частицы также являются одним из основных источников загрязнения воздуха. Кроме того, чрезмерное использование удобрений может уничтожить микробные сообщества в почве. А избыток фосфора может закрепиться на органическом материале или солях, что приведет к форме фосфата, непригодной для растений. Это уже становится проблемой для фермеров.
Задолго до разработки процесса Габера-Боша люди удобряли свои посевы разными способами. Например, известно, что фермеры эпохи неолита использовали навоз домашнего скота для повышения урожайности основных сельскохозяйственных культур. Органические удобрения в основном состоят из растительных остатков или остатков животных. Сегодня наиболее часто используемые органические удобрения во всем мире — это навоз, компост и костная мука. За последние десятилетия несколько стран попытались отказаться от использования синтетических удобрений. Такая попытка отказа в Шри-Ланке прошла не очень гладко. Весной 2021 года президент Готабая Раджапакса объявил о запрете на импорт агрохимикатов в попытке сделать сельское хозяйство страны более устойчивым. Ассоциация экономики сельского хозяйства Шри-Ланки предупредила президента, что урожайность и доходы фермерских хозяйств резко упадут в результате этой политики. Раджапакса вскоре отменил некоторые положения запрета, но все равно разразились протесты из-за роста цен на продовольствие и его нехватки. Однако недавнее исследование, в ходе которого были проанализированы 30 длительных экспериментов на фермах в Европе и Африке, показало, что экологически устойчивые методы ведения сельского хозяйства «в целом положительно влияют» на урожайность, особенно при использовании в сочетании с небольшими количествами азотных удобрений.
Генеральный директор FAO Цюй Дунъюй обозначил шаги по устранению угроз глобальной продовольственной безопасности, один из них — «обеспечить лучшее и более эффективное использование имеющихся удобрений». «Все страны должны повысить эффективность удобрений, чтобы они соответствовали местным системам земледелия. В среднесрочной и долгосрочной перспективе существует острая необходимость инвестировать в более эффективное использование химических удобрений наряду с навозом, биоудобрениями и продуктами, основанными на новых технологиях», — сказал он. В начале 2022 года в ООН обсудили проект резолюции по устойчивому использованию азота, который в итоге был принят 2 марта. В резолюции отмечается негативное воздействие чрезмерного использования питательных веществ на виды, экосистемы и изменение климата, а также добавляется, что сокращение отходов азота «предлагает возможность сэкономить миллиарды долларов США ежегодно». Документ призывает «ускорить действия по значительному сокращению отходов азота во всем мире к 2030 году и далее за счет улучшения устойчивого управления азотом».
Некоторые страны уже начали принимать меры по сокращению отходов азота. Климатический план Канады, объявленный в декабре 2020 года, включает цель по сокращению выбросов, связанных с применением удобрений, на 30% по сравнению с уровнем 2020 года к 2030 году. Он охватывает как прямые, так и косвенные выбросы, связанные с внесением удобрений, но не производство самих удобрений. В соответствующем документе эта цель называется «амбициозной, но достижимой». В юго-восточном индийском штате Андхра-Прадеш около шести миллионов фермеров при поддержке правительства переходят на метод ведения сельского хозяйства, известный как «естественное земледелие с нулевым бюджетом» (ZBNF), которое предполагает отказ от использования удобрений и других химикатов в пользу регенеративных и других устойчивых подходов. Переход, который затронет 8 млн га традиционно обрабатываемых сельскохозяйственных угодий, должен быть завершен к 2024 году. Однако в других частях мира государственная политика по-прежнему направлена на увеличение использования удобрений. Ранее в этом году правительство Бразилии опубликовало национальный стратегический план по удобрениям, направленный на снижение зависимости страны от импорта удобрений за счет привлечения инвестиций и расширения внутреннего производства.
Некоторые компании по производству удобрений начали изучать «более экологичные» методы производства, в том числе за счет использования процесса Габера-Боша с использованием возобновляемых источников энергии. Другие исследования сосредоточены на поиске альтернативных методов синтеза аммиака. Гигант по производству удобрений Yara заявляет, что к следующему году компания будет продавать «зеленые удобрения, не содержащие ископаемых, произведенные с использованием возобновляемой электроэнергии вместо энергии ископаемого топлива». Утверждается, что углеродный след станет на 80-90% ниже. Nutrien, крупнейшая в мире компания по производству удобрений, заявляет, что у нее есть возможность производить около 1 млн т «низкоуглеродного» аммиака, и что она намерена «инвестировать в новые технологии и осуществлять переход на низкоуглеродные удобрения». (DairyNews.today/Пищепром Украины)
