Побољшање одрживости ђубрења у условима климатских промена

Упоредо са брзим растом становништва у свету, повећава се и потрошња хране. Повећање пољопривредне производње повећало је употребу пољопривредних инпута на значајан ниво. Главни циљ оних који данас у свету производе пољопривредне производе је да добију највећу количину и квалитет производа који могу да приуште. Да би се постигао овај циљ, ђубрива су један од најважнијих инпута који се користе у пољопривреди. Хемијска ђубрива се данас широко користе. Количине азотних, фосфорних и калијумских ђубрива које се користе у пољопривредној производњи широм света последњих година приказане су у табели 1.

Табела 1. Потрошња азотних, фосфорних и калијумових ђубрива у свету по годинама [1]

Поред хемијских ђубрива, примена органских ђубрива је такође важна у биљној производњи. Према подацима из 2020. године, широм света је искоришћено скоро 28 милијарди тона стајњака [1]. Иако се ђубрење брзо повећава, постоје веома важни проблеми у вези са ефикасном употребом ђубрива. Позната је чињеница да ефикасност употребе ђубрива остаје на веома ниским стопама у многим студијама које се данас спроводе широм света. Успешно ђубрење треба мерити обезбеђивањем неопходних нутритивних потреба биљака током целог периода њиховог развоја, као и оспособљавања за то на начин који наноси минималну штету животној средини. Наиме, данас смо суочени са озбиљним еколошким проблемима у свету, посебно због неправилне и прекомерне употребе ђубрива.

Значајан део гасова стаклене баште који изазивају глобално загревање испушта се у атмосферу као резултат пољопривредних активности. Емисије гасова стаклене баште из пољопривреде углавном се састоје од метана (CH₄ ) и гаса азот оксида (N₂O). Значајне емисије гасова стаклене баште се испуштају у атмосферу путем ђубрива. Према подацима из 2020. године, 13% гасова који се испуштају у атмосферу као резултат пољопривредних активности настало је услед уношења синтетичких ђубрива и животињског ђубрива у земљиште [1].

Стопа повећања пољопривредних емисија услед употребе хемијских ђубрива достигла је много више нивое током времена у поређењу са другим изворима емисије. Табела 2 приказује емисије гасова стаклене баште из неких пољопривредних активности током година. У последњих 60 година повећање количине емисија изазваних хемијским ђубривима је скоро 10 пута веће.

Табела 2. Промене емисија гасова стаклене баште из пољопривреде током година [1].

*Стопе промене су засноване на износима оствареним у 2020. у односу на 1961. годину

Ефекти употребе ђубрива на животну средину

Емисије гасова стаклене баште из пољопривреде углавном се састоје од гаса азот-оксида (Н₂О) и метана (CH4). Иако су ови гасови мање заступљени у атмосфери од CO2, они имају већи потенцијал глобалног загревања. У Глобалном панелу за климатске промене је наведено да, у периоду од 100 година, јединичне масе гасова CH₄ и N₂O имају потенцијал глобалног загревања од 25 односно 298 пута већи од CO₂ гаса. Молекули азот-оксида могу остати у атмосфери у просеку 114 година [2]. На глобалном нивоу, иако неке од емисија улазе у атмосферу природним путем, значајна количина емисије се јавља услед људских активности [3]. Док су људске емисије N₂O у великој мери узроковане пољопривредним активностима, употреба азотних ђубрива има највећи удео у овим активностима. Два главна начина производње N₂O у пољопривредним земљиштима су нитрификација и денитрификација. Поред синтетичких ђубрива, значајно учешће у емисији гасова стаклене баште из пољопривреде имају и животињска ђубрива. Емисије гасова стаклене баште кроз животињска ђубрива узрокују приближно 22% укупних емисија гасова стаклене баште из пољопривреде [1].

Негативни утицаји ђубрива на животну средину нису ограничени само на њихов допринос емисији гасова стаклене баште. Они такође могу изазвати различите еколошке проблеме, посебно због прекомерне употребе. Неки од важнјих су наведени у наставку.

Загађење нитратима у подземним водама

Подземне воде се користе као извор воде за пиће у многим деловима света. Најважнији фактори који угрожавају здравље људи у води за пиће су микробиолошко загађење и загађење нитратима. Ђубрива су данас један од главних фактора који изазивају загађење подземних вода нитратима. Иако азотна ђубрива директно садрже нитрате, они се након примене лако могу претворити у нитрате. Азот који се наноси на земљиште, а не користе га биљке, не задржава се у земљишту и креће се са водом, посебно након што се претвори у нитрат. Ово је главни фактор контаминације подземних вода нитратом. Наведено је да се 2-10% азотног ђубрива унетог у земљиште меша са површинским или подземним водама [4]. До мешања нитрата у земљиште и потом у површинске и подземне воде не долази само због употребе хемијских азотних ђубрива. Значајна количина азота се додаје земљишту коришћењем органског ђубрива. Нитрати који настају као резултат минерализације изазивају исту штету по животну средину.

Акумулација нитрата у биљкама

Баш као што је нитрат проблем у површинским и подземним водама, понекад може изазвати проблеме тако што се подиже изнад одређеног нивоа у биљкама. Азот је један од елемената које биљке највише уклањају из земљишта, а природно садрже велике количине азота. Биљке користе овај азот у синтези неких једињења, посебно протеина. Међутим, понекад због прекомерне потрошње азотног ђубрива, ниво азота који биљке апсорбују расте и може доћи до акумулације нитрата у биљкама. Ова ситуација је посебно проблем код повртарских врста чији су листови јестиви.

Нитрати који се уносе кроз воду за пиће и храну прво се претварају у нитрит у живим бићима, а затим формирају једињења нитрозамина. Ова једињења се такође сматрају токсичним, мутагеним и канцерогеним [5].

Формирање салинитета у земљиштима

Салинитет земљишта је накупљање соли растворљивих у води у земљишту у различитим облицима. Може се појавити природно и вештачки. Природни салинитет јавља се посебно у аридним и полусушним регионима. На овим просторима, растворљиве соли помешане са подземним водама кроз испирање се капиларно преносе у горње слојеве земљишта, а затим се услед испаравања вода удаљава из околине и соли остају. Заслањеност створена у земљишту вештачким путем углавном је узрокована наводњавањем и ђубрењем. Нарочито у областима где је обрада интензивна, количина салинитета у земљишту расте током много година због употребе великих количина ђубрива. Овај процес се додатно убрзава ако се ђубрење примењује заједно са наводњавањем кап по кап. Код методе наводњавања кап по кап, наводњава се мања површина, а не цело земљиште. Због тога се на овој малој површини јавља интензивнија концентрација ђубрива (Слика 1).

Салинитет је једно од најважнијих својстава земљишта које ограничава раст биљака у пољопривредној производњи. Заслањивање земљишта негативно утиче на унос воде и хранљивих материја у биљке. Због повећања концентрације соли у пределу корена биљке, осмотски притисак се повећава и биљци постаје тешко да апсорбује воду. Додатно, токсични ефекти настају услед повећања неких јона и стреса соли у биљкама [6]. Ђубрива стварају ефекат сланости у различитим стопама у поређењу једни са другима. Концентрација соли коју ствара ђубриво у земљишном раствору даје њен индекс салинитета. Вредности индекса салинитета неких азотних ђубрива су дате у табели 3. Посебно у областима где салинитет представља проблем, предност треба дати ђубривима са нижим индексом салинитета.

Табела 3. Вредности индекса салинитета неких ђубрива [7].

*Једна јединица је еквивалентна 9 kg

Еутрофикација

Еутрофикација се може дефинисати као повећање воденог живота у водама услед повећања неких хранљивих елемената биљака, резултирајућег смањења квалитета воде и погоршања водених станишта. Ђубрива која се користе у пољопривредној производњи мешају се са површинским или подземним водама ако се прекомерно користе. Ђубрива која се мешају са водом, посебно она која садрже азот и фосфор, су најважнији загађивачи који изазивају еутрофикацију. Иако се еутрофикација углавном примећује у областима као што су језера и баре, понекад се може видети у рекама и морима (Слика 2).

Због повећања нутритивних елемената повећава се густина фитопланктона, алги и неких водених биљака у води. Када умру, формирају седимент на дну воде и разграђују их микроорганизми. У међувремену, количина раствореног кисеоника у околини се брзо смањује због интензивне потрошње кисеоника. Ово узрокује смрт других водених бића, посебно риба, и смањење постојећег квалитета воде.

Повећање ефикасности употребе ђубрива и спречавање непотребне употребе ђубрива

Ђубрива, један од најважнијих инпута у пољопривреди, имају ограничену ефикасност због злоупотребе. Најчешћи тип ђубрива у биљној производњи су азотна ђубрива. Азотна ђубрива представљају главни извор емисије N₂O из пољопривредног земљишта у атмосферу. Поред тога што изазивају емисије гасова стаклене баште, они играју важну улогу у многим еколошким проблемима као што је горе поменуто. Стога ће и даље представљати значајне ризике по животну средину осим ако се њихова употреба не узме у обзир.

Најважнији услов за успешно ђубрење је задовољавање нутритивних потреба биљке током целог периода развоја уз минималну штету по екосистем.

Ефикасност употребе ђубрива се може дефинисати као способност биљака да искористе нутритивне елементе који су им потребни за здрав развој на оптималном нивоу или способност стварања делова биљака на максималном нивоу [8].

Иако ефикасност коришћења азота варира у зависности од примене и фактора животне средине, она износи приближно 25-40% широм света [9]. Неки фактори који смањују ефикасност употребе ђубрива и њихове стопе смањења приказани су у табели 4.

Табела 4. Неки фактори који смањују ефикасност употребе ђубрива [10].

Начин да се постигне одржива производња у пољопривреди је спречавање прекомерне употребе ђубрива повећањем ефикасности употребе ђубрива и фокусирање на праксе које ће дугорочно очувати плодност земљишта.

Примена адекватних програма ђубрења

Прекомерна и непотребна употреба ђубрива у пољопривредној производњи на глобалном нивоу једно је од најважнијих питања које чека решење. Од велике је важности знати потребе биљке за хранљивим материјама за правилно ђубрење. Међутим, приликом креирања програма исхране биљака морају се знати својства земљишта. У супротном, веома је тешко одредити тачну количину и одговарајућу врсту ђубрива које треба применити. Губици приноса настају услед примене ђубрива испод захтева биљке. Поред тога, прекомерна примена ђубрива не само да погоршава продуктивност и квалитет, већ и штети животној средини. Једини начин да се тачно одреди количина и врста ђубрива које се користи је анализа тла и листова. Узорке земљишта за ђубрење треба узети пре сетве или садње, а код вишегодишњих биљака на почетку вегетације.

Примене животињског ђубрива или различите примене органског ђубрења су често коришћене методе. Овакве праксе су веома важне у смислу задовољавања потреба биљака за хранљивим материјама. Ако ће се ђубрење на неком подручју комбиновати са другим животињским ђубривом, анализу животињског стајњака такође треба урадити пре ђубрења. Количину ђубрива која се даје треба прилагодити у складу са тим израчунавањем садржаја биљних хранљивих материја у животињском стајњаку.

Приликом примене азотног ђубрива, ђубриво треба поделити на дозе, узимајући у обзир периоде развоја биљке, а планове ђубрења треба подржати одговарајућим управљањем наводњавањем. Остатак примењеног азотног ђубрива на површини земљишта или дубока инфилтрација као резултат наводњавања смањује ефикасност употребе ђубрива и узрокује значајне еколошке проблеме.

Када користите азот, важно је применити ђубриво у одговарајуће време користећи предности локалне временске прогнозе како бисте спречили могуће губитке азота. Губитак азота из земљишта се пропорционално повећава услед повећања температуре земљишта и засићења земљишта водом. Однос између климатских фактора и губитка азота треба узети у обзир у управљању пољопривредним земљиштима. Ова ситуација се може видети у табели 5 [11].

Табела 5. Процењени губици N услед денитрификације у зависности од температуре земљишта и засићености водом

Коришћење ђубрива која стварају ниже емисије

Један од највећих извора емисије гасова стаклене баште у пољопривреди је примена ђубрива. Стога, познавање ефеката различитих врста употребе ђубрива на стопе емисије и одабир одговарајућих ђубрива може помоћи у смањењу емисија. У ту сврху, у студији спроведеној у Кини, упоређене су количине емисије гасова стаклене баште различитих типова ђубрива и покушано је да се одреде ђубрива са најмањим емисијама и најнижим трошковима [12]. Према добијеним подацима, када се не узимају у обзир директне емисије N₂O са терена, емисије од ђубрива су чиниле 48% укупних емисија које произлазе из производње. Истраживачи су навели да је смањење емисије из ђубрива неопходна и приоритетна мера, а према њиховим резултатима навели су да су амонијум-бикарбонат, калцијум-суперфосфат и калијум-хлорид ђубрива са најмањом емисијом гасова стаклене баште. Истакнуто је да ће коришћењем ових ђубрива бити постигнуто смањење количине емисија за 49%.

За разлику од других азотних ђубрива, када се ђубриво урее наноси на земљиште, ослобађа се CO₂ који се додаје током процеса индустријске производње. Уреа (CH₄ N₂O) се у присуству воде и ензима уреазе претвара у амонијум (NH₄⁺), хидроксил (OH^- ) и бикарбонатне (HCO₃-) јоне. HCO₃^-настао као резултат реакције се након додавања креча раздваја на CO₂ и H₂O и тако се CO₂ ослобађа из земљишта [13].

Треба повећати студије о утврђивању доприноса различитих врста ђубрива емисији гасова стаклене баште у земљиштима различитих карактеристика и водити рачуна о избору ђубрива која изазивају мање емисије у тим регионима.

Повећање садржаја органске материје у земљишту

Треба размотрити правилно управљање исхраном биљака у пољопривредним подручјима заједно са задржавањем органског угљеника у земљишту. Уопштено говорећи, употреба органских ђубрива и компоста ће побољшати басен органског угљеника у тлу више од употребе неорганских ђубрива. Када је количина органске материје у земљишту ниска, здравље земљишта је негативно погођено и продуктивност се смањује. С друге стране, повећање количине органског угљеника у земљишту је такође начин да се повећа секвестрација угљеника, јер повећава капацитет пољопривредних екосистема да апсорбују атмосферски CO₂ и да га складиште у земљишту [14]. Спаљивање жетвених остатака након жетве и прекомерна употреба хемијских ђубрива доводи до смањења биолошких ресурса, што слаби потенцијални капацитет пољопривредног екосистема као понора угљеника и може довести до повећања емисија изазваних ђубрењем.

У студији која је спроведена у ту сврху, жетвени остаци су компостирани са сточним стајњаком и испробане су различите примене у плодореду озиме пшенице и кукуруза [15]. У студији су испробане четири различите примене ђубрива: 100% сточно ђубриво, 100% минерални азот, 75% сточно ђубриво + 25% минерални азот и 50% сточно ђубриво + 50% минерални азот. Према добијеним резултатима, констатовано је да је замена хемијског ђубрива органским ђубривом значајно смањила емисије гасова стаклене баште, а принос пшенице и кукуруза повећан додатком сточног ђубрива. Истраживачи су нагласили да ако се хемијско ђубриво замени органским ђубривом, пољопривредни екосистем ће се претворити од извора угљеника у понор угљеника и емисије гасова стаклене баште ће се смањити.

Коришћење ђубрива са повећаном ефикасношћу (enhanced-efficiency fertilizers-EEF)

Повећање ефикасности ђубрива, минимизирање могућих губитака у земљишту и обезбеђивање да биљке имају више користи од хранљивих материја које земљиште садржи, последњих година је постао широко пожељан метод. Ова ђубрива, која се генерално називају ђубрива са повећаном ефикасношћу (EEF) дефинишу се као „производи ђубрива који имају својства која повећавају усвајање биљака и смањују губитак хранљивих материја“ [16]. У таквим производима који имају за циљ повећање ефикасности азотних ђубрива користе се различите методе као што су премазивање, капсулирање и додавање инхибитора. Ђубрива са спорим и контролисаним ослобађањем и инхибиторна ђубрива не само да имају већу ефикасност коришћења азота, већ имају и потенцијал да смање емисије N₂O које су резултат ђубрења.

Иако је јасно да је укључивање оваквих ђубрива у програме исхране биљака важно за повећање ефикасности у производњи и смањење емисије гасова стаклене баште, чини се да је неопходно да се на неки начин субвенционишу настали трошкови.

Микробна ђубрива

Интензивна употреба хемикалија у пољопривреди како би се задовољила све већа потражња за храном у свету изазива све веће проблеме животне средине. Постаје неизбежно окренути се алтернативним инпутима за одрживију производњу. Једно од њих су микробна ђубрива.

Материјал који се састоји од живих микроорганизама који могу да колонизују или уђу у биљна ткива назива се биолошко ђубриво [17]. У ову групу ђубрива, коју углавном чине бактерије које фиксирају атмосферски азот, спадају и бактерије које растварају фосфате и производе хормоне. Бактерије које се користе као биолошко ђубриво се генерално називају Plant Growth Promoting Rhizobacter (PGPR). У до сада спроведеним студијама, примећено је да се врсте које посебно припадају роду Azotobacter, Azospirillum, Burkholderia, Pseudomonas, Bacillus и Paenibacillus издвајају као PGPR [18].

Иако често сами по себи нису довољни, можда је могуће смањити употребу интензивних хемијских ђубрива употребом микробних ђубрива. Уопштено говорећи, активне бактерије изоловане из земљишта могу се успешно применити, с обзиром на њихову ефикасност и прилагодљивост средини у којој се примењују.

Корист од технологија прецизне пољопривреде у ђубрењу

Једна од примена која последњих година постаје све заступљенија у пољопривреди су технике прецизне пољопривреде. То је апликација која је настала као резултат интеграције иновација у технологији са пољопривредом и пружа значајне предности, посебно у великим предузећима. Прецизна пољопривреда усваја метод заснован на примени променљивог нивоа на областима са различитим карактеристикама, уместо да примењује исту примену на целој површини у области култивације.

Примена ђубрива са променљивом дозом је једна од примена у прецизној пољопривреди и постала је често преферирани метод, посебно у примени азотног ђубрива, последњих година. У основи постоје две методе које се користе у реализацији примене ђубрива са променљивом дозом [19]:

• Једна од њих је апликација са променљивом стопом заснована на мапи, која користи карте добијене из параметара мерених на терену.

• Други метод је примена променљиве брзине заснована на сензорима. У апликацији заснованој на сензорима нема мапирања, већ се мерења врше у покрету преко сензора у реалном времену на основу карактеристика тла или биљака. Подаци добијени овим мерењима шаљу се у апликатор са променљивом брзином и апликација се спроводи (слика 3).

Основна сврха обе методе је прилагођавање количине ђубрива према утврђеним варијацијама у земљишту или биљкама, уместо да се на целом пољу примењује фиксна и једнака количина ђубрива.

Референце

1. FAO, (2023). FAOSTAT, Food oath Agriculture Organization of the United Nations. http://www.fao.org/faostat/en/#data, ( Acces date : 16.08.2023).

2. IPCC, (2007) Climate Change 2007: The physical Science Basis . Contribution of Working Group I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin , M. Manning , Z. Chen , M. Marquis , K. B. Averyt , M. Tignor and H.L. Miller ( eds .)]. CambridgeUniversity _ Press , Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 pp .

3. IPCC, (2013). Climate Change 2013: The physical Science Basis . Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change . [ Stocker , T.F., D. Qin , G.-K. Plattner , M. Tignor , S. K. Allen , J. Boschung , A. Nauels , Y. Xia , V. Bex and P. M. Midgley ( eds .)]. CambridgeUniversity _ Press , Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1585 pp .

4. Sönmez İ, Demir H, (2011). Agricultural Nitrate Pollution and Its Negative Effects. 1st Ali Numan Kıraç Agricultural Congress and Fair with International Participation, 27-30 April, 2011, Proceedings Book: 287-294, Eskişehir.

5. Ekici, K., Alişarlı M. & Sancak, YC, (2008). “ Nitrate and nitrosamines in cheese varieties ”, YYÜ. Journal of the Faculty of Veterinary Medicine. 2:71-72

6. Gürel A, Avcıoğlu R, (2001). “Stress Resistance Physiology in Plants”, chapter 21, Editors: Özcan, S., Gürel, E., Babaoğlu, M., ''Plant Biotechnology II, Genetic Engineering and Applications'', Selçuk University Foundation Publications, 308-313.

7. Mortvedt JJ, (2001). Calculating Salt Index. Fluid Journal . 9(2):8-11.

8. Blair , G., (1993). nutrients efficiency - What do we do really mean ? In : PJ Randall et al. ( Eds .), Genetics Aspects of Plant Mineral Nutrition . Proc . 4th Int . Symp . of genetics Aspects of Plant Mineral Nutrition , pp.205-13, Kluwer Academic Publications, Dordrecht, The Netherlands .

9. Lenka S, Rajendiran S., Vassanda Coumar M., Dotaniya ML and Saha JK, (2016). impact of Fertilizers use on Environmental Quality . Souvenir of National Seminar on “ Environmental concern for fertilizer use in future ” at Bidhan chandra Krishi Viswavidyalaya , Kalyani on February 26, 2016. file:///C:/Users/pc/Downloads/Fertilizeruseonenvironment-JKSaha%20(2).pdf ( Acces data: 10.04.2019).

10. Karaman, M.R., & Turan, M. (2012). Sustainable Management Strategies oath Fertilizer Efficiency Parameters in Plant Nutrition . Soil Water Journal, 1(1), 15-21.

11. Anonymous, (2017). Code of Good Agricultural Practices. Good for Preventing Nitrate Pollution in Waters Caused by Agricultural Activities Agriculture Communiqué on the Code of Practices , COMMUNIQUE NO: 2016/ 46, https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2017/02/20170211-12.htm, ( Acces data: 21.08.2023).

12. Wang , ZB, Chen , J., Mao, S.C., Han, Y.C., Chen , F., Zhang , LF, ... & Li , C.D. (2017). Comparison of greenhouse gas emissions of chemicals fertilizer types in China's crop production . Journal of Cleaner Production , 141, 1267-1274.

13. Snyder , CS, Bruulsema , TW, Jensen , TL, & Fixen . PE (2009). Review of greenhouse gas emissions from crop production systems oath fertilizer management effects . Agriculture , Ecosystems and Environment, 133: 247–266

14. Elbasiouny H, El- Ramady H, Elbehiry F, Rajput VD, Minkina T, Mandzhieva S, 2022. Plant nutrition below climate change oath soil carbon sequestration . Sustainability 2022, 14, 914. https://doi.org/10.3390/su14020914

15. Liu , H., Li , J., Li , X., Zheng , Y., Feng, S., & Jiang , G. (2015). Mitigating greenhouse gas emissions through replacement of chemicals fertilizer with organic manure in a temperate farmland . Science Bulletin , 60(6), 598-606.

16. Association of Americans plants Food Control Officials , (2013). AAPFCO Official Publication 65. AAPFCO, Little Rock , AR.

17. Çakmakçı R., (2005). Use of Rhizobacteria in Agriculture to Promote Plant Growth . Atatürk University Faculty of Agriculture Journal. 2005; 36(1): 97-107.

18. Çakmakçı, R., (2014). " Effect Mechanisms and Properties of Microorganisms That Can Be Used as Microbial Fertilizer , " Microbial Fertilizer Workshop , 23-24 October, Kastamonu, TC Ministry of Food, Agriculture and Livestock, 60th Anniversary. Directorate of Soil Fertilizer and Water Resources Central Research Institute , ILgaz /Kastamonu, Turkey , pp.5-17, 2014

19. Grisso , R., Alley , M., Thomason , W., Holshouse , D., & Roberson , G. T. (2011). precision farming tools : variable -rate application . Virginia Cooperative Extension , 442-505. https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/47448/442-505_PDF.pdf?sequence=1 ( Acces data: 22.08.2023).