کود چیست؟
کود هر ماده یا مادهای است که به خاک اضافه میشود و رشد گیاه را تقویت میکند. انواع کود زیادی وجود دارد و اکثر آنها حاوی نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم (K) هستند. در واقع، کودهایی که در فروشگاهها فروخته میشوند، نسبت N-P-K را روی بستهبندی خود دارند.
کودهای شیمیایی در سراسر جهان برای سبز نگه داشتن چمنها و تولید محصولات بیشتر در مزارع کشاورزی استفاده میشوند. کودها را میتوان به سه گروه تقسیم کرد:
کودهای معدنی (فسفر و پتاس) از محیط استخراج شده و قبل از استفاده خرد شده یا تحت عملیات شیمیایی قرار میگیرند.
کودهای آلی (کود دامی و کمپوست) از مدفوع حیوانات و مواد تجزیه شده گیاهی یا حیوانی ساخته میشوند.
کودهای صنعتی (دی آمونیوم فسفات، اوره، مونو آمونیوم فسفات, نیترات آمونیوم و اوره فسفات) از طریق واکنشهای شیمیایی توسط انسان به صورت صنعتی تولید میشوند.
در حالی که کودهای آلی و معدنی مدت زیادی است که برای افزایش عملکرد محصول در کشاورزی استفاده میشوند، کودهای صنعتی یک پیشرفت نسبتاً جدید هستند. با این حال، کودهای صنعتی امروزه پرکاربردترین کودها هستند.
چرا به کودهای حاوی نیتروژن نیاز داریم؟
نیتروژن یکی از عناصر یا مواد مغذی است که همه موجودات زنده (میکروارگانیسمها، گیاهان و حیوانات) برای رشد به آن نیاز دارند. اگرچه نیتروژن زیادی در اطراف ما وجود دارد (حدود 78٪ از هوایی که تنفس میکنیم)، اما بیشتر نیتروژن روی زمین به صورت یک گاز بیرنگ و بیبو به نام گاز نیتروژن (N2) وجود دارد. متأسفانه، گیاهان و حیوانات نمیتوانند مستقیماً از گاز نیتروژن استفاده کنند. ما به عنوان انسان، نیتروژن خود را از غذایی که میخوریم دریافت میکنیم. غذاهای پرپروتئین مانند گوشت، ماهی، آجیل یا لوبیا سرشار از نیتروژن هستند. گیاهان نیتروژن خود را از خاک دریافت میکنند و نیتروژن رایجترین ماده مغذی برای محدود کردن رشد گیاه است. دو راه وجود دارد که گاز نیتروژن به طور طبیعی به ترکیبات حاوی نیتروژن تبدیل یا “تثبیت” میشود که میتوانند بدون دخالت انسان در خاک قرار گیرند (شکل 1):
رعد و برق: برخورد رعد و برق انرژی کافی برای تجزیه گاز نیتروژن در جو ایجاد میکند و ترکیبات حاوی نیتروژن را ایجاد میکند که در خاک قرار میگیرند.
تثبیت بیولوژیکی نیتروژن: برخی از میکروارگانیسمها میتوانند مستقیماً از گاز نیتروژن به عنوان یک ماده مغذی استفاده کنند. این میکروارگانیسمهای تخصصی، گاز نیتروژن را به آمونیوم (NH4+) تبدیل میکنند و «تثبیتکنندههای نیتروژن» نامیده میشوند. برخی از میکروارگانیسمهای تثبیتکننده نیتروژن در خاک زندگی میکنند و برخی میتوانند رابطه نزدیکی با ریشه گیاهان خاصی مانند لوبیا یا شبدر برقرار کنند.
الف) برخورد صاعقه میتواند گاز نیتروژن (قرمز) را در جو تجزیه کند. ترکیبات نیتروژن تازه ایجاد شده (آبی) سپس روی خاک میریزند و به طور طبیعی آن را بارور میکنند.
(ب) میکروارگانیسمهای تخصصی تثبیتکننده نیتروژن در خاک یا متصل به ریشه گیاهان میتوانند گاز نیتروژن را به ترکیبات نیتروژنی تبدیل کنند که میتوانند توسط گیاهان و حیوانات استفاده شوند.
(ج) گاز نیتروژن را میتوان به صورت صنعتی با فرآیند هابر-بوش به ترکیبات نیتروژن قابل استفاده تبدیل کرد تا کودهایی تولید شود که میتوانند مستقیماً در خاک استفاده شوند.
با این حال، حتی با وجود همه این تثبیت طبیعی نیتروژن، سطح پایین نیتروژن در خاک اغلب هنوز رشد گیاهان را محدود میکند. به همین دلیل است که اکثر کودها حاوی ترکیبات نیتروژن هستند و کودهای صنعتی برای تولید محصولات کافی برای تغذیه جمعیت بشر ضروری هستند. انسانها اکنون هر ساله به همان اندازه یا بیشتر از نیتروژن تثبیتشده صنعتی (حدود ۱۵۰ میلیارد کیلوگرم) به محیط زیست اضافه میکنند که به طور طبیعی تثبیت میشود [1، 2]. تصور صد و پنجاه میلیارد کیلوگرم (حدود ۳۳۰ میلیارد پوند) از هر چیزی دشوار است، اما این برابر با وزن حدود ۲۴ میلیون فیل بالغ کاملاً رشد یافته است!
کودهای صنعتی حاوی نیتروژن چگونه تولید میشوند؟
همانطور که گفته شد، بیشتر نیتروژن موجود در زمین به صورت گاز نیتروژن است که برای گیاهان و حیوانات غیرقابل استفاده است. در اوایل دهه 1900، دانشمندان کشف کردند که چگونه گاز نیتروژن را از جو به ترکیبات حاوی نیتروژن تبدیل کنند که میتوانند برای کوددهی خاک استفاده شوند (شکل 1). این تثبیت صنعتی، فرآیند هابر-بوش نامیده میشود. تقریباً تمام نیتروژن موجود در کودهای صنعتی از طریق فرآیند هابر-بوش تثبیت میشود.
این تثبیت صنعتی نیتروژن در آزمایشگاههای شیمیایی و کارخانههای بزرگ در سراسر جهان انجام میشود. فرآیند هابر-بوش مستلزم آن است که گاز نیتروژن با گاز هیدروژن (H2) مخلوط شده و تحت فشار بسیار زیادی (200 برابر فشار اتمسفر) قرار گیرد. این فشاری است که اگر 2000 متر (حدود 6500 فوت) زیر دریا غوطهور شوید، احساس خواهید کرد، که مسافتی طولانیتر از 6 برج ایفل است که روی هم قرار گرفتهاند!
این مخلوط گاز تحت فشار سپس تا دماهای بسیار بالا (450 درجه سانتیگراد / 842 درجه فارنهایت) گرم میشود. حفظ این فشارها و دماهای بالا نیاز به مقدار زیادی انرژی دارد. تخمین زده میشود که فرآیند هابر-بوش هر ساله 1 تا 2 درصد از انرژی جهان را مصرف میکند [2].
چرا ما اینقدر از کود صنعتی حاوی نیتروژن استفاده میکنیم؟
پاسخ کوتاه این است که کودهای حاوی نیتروژن به رشد سریعتر گیاهان زراعی کمک میکنند و به تولید محصولات بیشتر کمک میکنند. این امر به زمینهای کشاورزی اجازه میدهد تا به طور کارآمدتری مورد استفاده قرار گیرند زیرا زمینهای کوددهی شده غذای بیشتری تولید میکنند.
در واقع، اختراع کودهای صنعتی یکی از دلایل اصلی رشد سریع جمعیت زمین در 60 تا 70 سال گذشته است. قبل از استفاده گسترده از کودهای صنعتی در دهه 1960، حدود 123 سال طول کشید تا جمعیت زمین از 1 به 2 میلیارد نفر (1804-1927) دو برابر شود. با این حال، تنها حدود ۴۵ سال (۱۹۷۴-۲۰۱۹) طول کشید تا جمعیت زمین از ۴ به ۸ میلیارد نفر دو برابر شود. اکنون، ما آنقدر به کود نیتروژن وابستهایم که بدون آن فقط میتوانیم غذای کافی برای تغذیه حدود ۵۰٪ از جمعیت جهان تولید کنیم [1، 2].
نیتروژن حاصل از کودهای حاوی نیتروژن به کجا میرسد؟
البته محصولات کشاورزی آن را جذب میکنند! متأسفانه، این پایان داستان نیست. برای نگاهی دقیقتر به تمام واکنشهای چرخه نیتروژن، باید این مقاله Young Minds را بخوانید: “چرخه نیتروژن چیست و چرا کلید زندگی است” [3]. در یک مزرعه کشاورزی متوسط، تنها حدود 50٪ از نیتروژن حاصل از کودها توسط محصولات کشاورزی استفاده میشود [4]. بنابراین، در حالی که کودها باعث رشد بهتر و سریعتر محصولات میشوند، نیمی از نیتروژن تثبیتشدهای که اضافه میکنیم از بین میرود. تصور کنید که – ما معادل 12 میلیون فیل نیتروژن (حدود 165 میلیارد پوند) را هر ساله از دست میدهیم! نیتروژن از دست رفته میتواند در جو قرار گیرد یا از خاک شسته شود و در آبراهها، مانند آبهای زیرزمینی، نهرها، دریاچهها، رودخانهها و اقیانوسها قرار گیرد (شکل 2). این نیتروژن از دست رفته باعث ایجاد مشکلات زیستمحیطی متنوعی میشود [2].
شکل 2 – جایی که نیتروژن در محیط زیست قرار میگیرد.
کودهای حاوی نیتروژن چه مشکلات زیستمحیطی ایجاد میکنند؟
برخی از میکروارگانیسمهای خاک میتوانند نیتروژن موجود در کودها را به گازهای حاوی نیتروژن تبدیل کنند که مانند گاز گلخانهای اکسید نیتروژن (N2O) در جو آزاد میشوند. گازهای گلخانهای یکی از عوامل اصلی تسریع گرمایش جهانی هستند. اکسید نیتروژن پتانسیل گرمایشی حدود ۳۰۰ برابر بیشتر از رایجترین گاز گلخانهای، دی اکسید کربن (CO2) دارد.
در آبراهها، افزودن مواد مغذی خارجی (مانند نیتروژن اضافی) به عنوان تغذیهگرایی شناخته میشود. تغذیهگرایی، کوددهی ناخواسته یک آبراه است و رشد میکروارگانیسمها، جلبکها و گیاهان را مانند کوددهی خاک افزایش میدهد. با این حال، رشد سریع میکروارگانیسمها و گیاهان میتواند تمام اکسیژن موجود در این آبراهها را مصرف کند و آنها را به مناطق به اصطلاح مرده تبدیل کند، زیرا حیوانات آبزی نمیتوانند بدون اکسیژن زندگی کنند. تغذیهگرایی همچنین میتواند منجر به رشد گونههای جلبکی شود که مواد شیمیایی سمی تولید میکنند، به نام شکوفههای جلبکی مضر.
در حالی که ما به نیتروژن حاصل از کودها در خاکهای کشاورزی خود نیاز داریم، به نیتروژن اضافی در جو یا آبراههای خود نیازی نداریم و آن را نمیخواهیم. این بدان معناست که باید مزایای مثبت کوددهی نیتروژن (غذای بیشتر) را با پیامدهای منفی کود اضافی (مشکلات زیستمحیطی) متعادل کنیم [1، 2]. دانشمندان در حال حاضر در تلاشند تا این تعادل را برای بهبود وضعیت فعلی خود پیدا کنند.
در حال حاضر چه تحقیقات مرتبط با کود انجام میشود؟
یکی از اهداف اصلی تحقیقات مرتبط با کود، کاهش میزان نیتروژن تثبیتشده صنعتی است که به جو و آبراهها از بین میرود (به ارزش تقریبی 12 میلیون فیل). این راهحل، بهبود بهرهوری استفاده از نیتروژن در محیطهای کشاورزی نامیده میشود. در اینجا چند نمونه از تحقیقات مداوم در مورد کود آورده شده است:
میکروبیولوژیستها و دانشمندان خاک در حال کار بر روی راههایی برای بهبود شرایط مزرعه برای افزایش رشد باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن خاک به طور طبیعی هستند. علاوه بر این، آنها همچنین در حال کار بر روی راههایی برای جلوگیری از رشد میکروارگانیسمهای خاک هستند که به از بین رفتن نیتروژن تثبیتشده در جو یا آبراهها کمک میکنند (شکل 3). این امر در مجموع، مقدار کلی کود حاوی نیتروژن مورد نیاز برای دستیابی به همان عملکرد محصول را کاهش میدهد.
شکل ۳ – دو نمونه از تحقیقات جاری در زمینه بهبود راندمان کود.
(الف) میکروبیولوژیستها و دانشمندان خاک در تلاشند تا رشد میکروارگانیسمهای تثبیتکننده نیتروژن موجود در خاک را بهبود بخشند تا تثبیت بیولوژیکی نیتروژن را افزایش دهند. این امر باعث افزایش محتوای نیتروژن خاک (آبی) میشود.
(ب) زیستشناسان گیاهی در تلاشند تا گیاهان زراعی ایجاد کنند که قادر به تثبیت گاز نیتروژن (قرمز) مستقیماً از جو به بافتهای خود باشند. این امر نیاز به افزودن کودهای حاوی نیتروژن به این محصولات را کاهش میدهد.
شیمیدانان در حال کار بر روی طراحی کودهایی هستند که در دورههای زمانی طولانیتر در خاک پایدار باشند و احتمال تجزیه آنها توسط میکروارگانیسمها کمتر باشد. این کودهای آهسته رهش، مقادیر کمی از مواد مغذی را در یک زمان آزاد میکنند، بنابراین مواد مغذی در طول عمر محصولات در دسترس هستند. این رویکرد هنوز به کودهای حاوی نیتروژن وابسته است، اما میزان کود مورد نیاز را کاهش میدهد و از دست رفتن نیتروژن را کاهش میدهد.
زیستشناسان گیاهی در تلاشند تا محصولاتی را مهندسی ژنتیکی کنند که به نیتروژن کمتری از کودها نیاز داشته باشند [5]. این محصولات میتوانند نیتروژن خود را از گاز نیتروژن، درست مانند میکروارگانیسمهای تخصصی تثبیتکننده نیتروژن، تثبیت کنند. این محصولات برای تولید همان عملکرد محصول به کود کمتری نیاز دارند (شکل 3).
شکل 3 دانشمندان کامپیوتر و دانشمندان خاک در حال همکاری با یکدیگر برای طراحی سیستمهای کوددهی هوشمند هستند که میتوانند شرایط خاک و هوا را در مزارع کشاورزی رصد کنند. این سیستمها میتوانند مقادیر کمی کود را فقط در صورت نیاز اضافه کنند. این امر مقدار کود اضافه شده را به حداقل میرساند، کوددهی را متناسب با نیازهای محصولات انجام میدهد و میزان از دست رفتن نیتروژن را کاهش میدهد.
خلاصه
کودها مواد مغذی ضروری مانند نیتروژن را برای محصولات فراهم میکنند، به طوری که محصولات بزرگتر، سریعتر رشد میکنند و غذای بیشتری تولید میکنند. با این حال، استفاده بیش از حد از کود میتواند مشکلساز باشد زیرا منجر به انتشار گازهای گلخانهای و انباشتگی مواد غذایی میشود. دانشمندان در حال حاضر در تلاشند تا راهحلهایی برای کاهش میزان کودهای مورد نیاز، بدون کاهش میزان غذای تولید شده، پیدا کنند.
واژهنامه
تثبیت نیتروژن: ↑ فرآیند تبدیل گاز نیتروژن به ترکیبات حاوی نیتروژن. تثبیت نیتروژن میتواند به طور طبیعی از طریق رعد و برق رخ دهد، توسط میکروارگانیسمهای تخصصی انجام شود یا به صورت صنعتی انجام شود.
فرآیند هابر-بوش: ↑ فرآیند تثبیت نیتروژن صنعتی که میتواند در آزمایشگاه برای تولید اجزای کود انجام شود. این گاز توسط دانشمندان فریتز هابر و کارل بوش کشف و به نام آنها نامگذاری شده است.
گازهای گلخانهای: ↑ گازهایی که گرما را در جو به دام میاندازند، دقیقاً مانند سقف گلخانه، گرما را به دام میاندازند تا از گیاهانی که در آن رشد میکنند در برابر هوای سرد و یخبندان محافظت کنند.
اوتریفیکاسیون: ↑ تغییر در وضعیت مواد مغذی یک محیط ناشی از ورود مقادیر بالای مواد مغذی (نیتروژن یا فسفر) به آبراهها (دریاچهها، رودخانهها یا اقیانوسها) است. یکی از پیامدهای اصلی آن شکوفایی جلبکی مضر و از بین رفتن حیات آبزیان است.
شکوفایی جلبکی مضر: ↑ هنگامی که سیانوباکتریها و جلبکها به دلیل مقادیر زیاد مواد مغذی (نیتروژن یا فسفر) موجود در آبهایی که در آنها زندگی میکنند، بسیار سریع رشد میکنند. این سیانوباکتریها و جلبکها مواد شیمیایی مضر – سموم – را به داخل آبراه آزاد میکنند.
منابع
Is Too Much Fertilizer a Problem?