Диазотният оксид – парниковият газ, за който никой не говори

Диазотният оксид е по-познат като райски газ, използван в медицината при анестезия, но увеличаването на антропогенните емисии на N₂O в атмосферата не се дължи на зъболекарите, а предимно на азотните торове, използвани в селското стопанство. Естествените емисии пък са резултат от дейността на микроорганизмите в почвите и океаните, както и от топенето на пермафроста в арктически условия. У нас и в световен мащаб обаче се прилагат и разработват множество методи и добри управленски практики за справяне с N₂O, които същевременно допринасят за плодородието на почвите и адаптиране към последиците от измененията в климата.

Диазотният оксид (N₂O) не се споменава толкова често в медиите, когато се говори за парникови емисии, но неговият потенциал да затопля климата е 300 пъти по-голям от този на въглеродния диоксид за период от 100 години. Освен това, той е и субстанция, която се задържа в атмосферата до 125 години и когато се разпада, този процес на разпад е отговорен за разрушаването на озоновия слой. 

Как и къде се образува N₂O?

Диазотният оксид винаги е съществувал в атмосферата. Естественият процес на образуване е свързан с дейността на микроорганизмите в почвата и в океаните. Най-големият естествен източник на диазотен оксид до момента са тропическите гори, но това може да се промени със затоплянето на климата и топенето на пермафроста в Арктика. Големи запаси от азот (> 67 милиарда тона), налични в пермафроста и натрупани преди хиляди години, постепенно но сигурно се освобождават и попадат в атмосферата. Международен екип от учени от Швеция, Дания и Финландия стигат до този извод, след като провеждат експерименти върху 16 торфени мезокосмоса във финландска Лапландия. Мезокосмосът представлява експериментална система на открито, която изучава заобикалящата среда в контролирани условия. Всеки един от тези тестови парцели е с площ приблизително 80 на 10 сантиметра, като някои са покрити с растителност, други с лишеи, а трети са голи. Всеки парцел бива подлаган на контролирано топене на пермафроста в продължение на 33 седмици, докато екипът взема проби и с помощта на сензори измерва количеството освободен диазотен оксид. Изследователите съобщават, че най-високи емисии след отмразяване се образуват от незалесени торфени повърхности, които представляват типичния релеф във вечно замръзналите торфища. Тези концентрации на емисии са сравними с тези от тропическите горски почви. Наличието на растителност – фактор, който способства за намаляване на N₂O в тундрата,  ограничава драстично емисиите (с ∼90%), но не предотвратява изцяло освобождаването на диазотен оксид. Според учените, регионите с благоприятни условия за образуване на емисии на N₂O обхващат една четвърт от Арктика. 

Към момента една трета до половината от N₂O емисиите в световен мащаб  са резултат от човешка дейност. Най-големият причинител са нарастващият дял на земеделски площи и увеличаването на количеството синтетични торове в селското стопанство през последните десетилетия. Индустриалното земеделие и в частност засаждането на интензивни едногодишни култури като зеленчуци и зърнени култури са един от факторите за това, тъй като фермерите са склонни да предозират с азотни торове, в стремежа си да увеличат добивите си. По същество както синтетичните, така и органичните торове увеличават количеството азот, достъпно за микробите в почвата, които чрез своята дейност го превръщат в парниковия газ диазотен диоксид.

В почвата емисии на N₂O се произвеждат предимно чрез два микробиално медиирани процеса, а именно – нитрификация и денитрификация. 

1. Нитрификацията е аеробно окисляване на амоняк до нитрат (NO₃^–) през нитрит (NO₂^–). N₂O е междинен продукт. 

2. Денитрификацията е анаеробна (безкислородна) редукция на нитрат (NO₃^–) или нитрит (NO₂^–) до атмосферния газ азот (N₂).  Денитрификацията се счита за основен процес за загубата на азот от (агро)екосистемите чрез освобождаване и производство на N₂O и N₂ в различно съотношение. 

Един от факторите, които определят дали в почвата ще преобладава нитрификация или денитрификация, както и количеството на емисии на диазотен оксид (N₂O), е дали почвата е наситена с вода. При много голяма влажност и намалена наличност на кислород, доминиращият процес за образуване на N₂O e денитрификацията.  

Решения за намаляване на емисиите в селското стопанство

Експертите са на мнение, че ключът към намаляването на емисиите на диазотния оксид в селското стопанство е по-ефективното използване на минерални торове. Това означава фермерите да приложат подходящото за техните култури и почви количество и да го направят в точното време. Това е по-голямо предизвикателство, отколкото изглежда на пръв поглед, защото съвременното земеделие разчита изключително на свръхпроизводството и най-простият начин да се гарантира висок добив е използването на повече минерални торове, отколкото е необходимо.

Един от начините за намаляване на N₂O е по-бавното отделяне на азот, така че някои фермери са съкратили емисиите си, като са променили напоителните си техники. В Калифорния например изследванията показват, че емисиите на N₂O са спаднали, когато фермерите са преминали към по-ефективни методи за микронапояване, като капково и подпочвено напояване, които позволяват по-бавно дозиране на вода и минерални торове. 

С прилагане на по-стари техники за напояване като наводняване на браздите, почвата се „накисва“ във вода, а наситените с вода почвени условия често са свързани с по-високи емисии на N2O. Тъй като повечето хранителни вещества не могат да бъдат усвоени веднага от растенията, излишъкът се поема от микробите и се превръща в диазотен оксид.

Друг начин да се намалят емисиите на N₂O в конвенционалното земеделие са нитрификационните инхибитори (NI). Те са химични съединения, които са в състояние да забавят поетапно микробиалното окисление на амоняка през нитрит до нитрат в почвата. Например, дициандиамид (DCD) забавя този процес в продължение на няколко седмици и следователно намалява риска от замърсяване на подпочвената и питейната вода чрез излужване (измиване) на неусвоени нитрати и образуване на големи количества диазотен оксид. Нитрификационните инхибитори често се използват в селскостопанската и градинарската практика в региони, характеризиращи се с песъчливи почви, за да могат растенията да усвоят азотните торове по-добре и за да се контролира честотата на торенето. В последните години на пазара все по-често се среща инхибиторът 3,4-диметилпиразол фосфат (DMPP). DMPP се използва в комбинация с минерални амониево-нитратни торове и забавя нитрификацията за период от около четири до десет седмици в зависимост от климатичните условия и характеристики на терена. 

Прилагането на минерални торове, обогатени с нитрификационни инхибитори, разбира се, не допринася по никакъв начин за подобряване на почвеното плодородие в дългосрочен аспект. За да се работи в тази посока и да се намали нуждата от синтетични торове фермерите могат да приложат някои от следните методи: 

- Компостиране;

- Използване на покривни култури (мулчиране);

- Консервационна обработка на почвата.

Какви стратегии могат да се прилагат за намаляване на емисиите на N₂O в България?

Добри практики за управление на хранителните вещества в почвата

Както в глобален план, така и по нашите географски ширини, внасянето на минерални торове трябва да отговаря на потребностите на планираната култура. При изчисляване на нормата на торене се отчитат показатели като почвен вид и минерален състав, култура, която е предшествала текущата, съотношение между N/P/K (азот/фосфор/ калий).  През следващите години в България се предвижда въвеждането на специализиран софтуер – Farm Sustainability Tool for Nutrients (FaST), с чиято помощ могат да се калкулират необходимите торови норми и нуждата от хранителни вещества. Добрите управленски практики на хранителни вещества и торене ще доведат до екологични ползи като: намаляване на емисиите на парникови газове, ограничаване замърсяването на подземните води, реките и антропогенната еутрофикация като резултат от неусвоени нитрати и фосфати. Минусите на този механизъм са, че малките по размер земеделски стопанства не са подготвени да прилагат подобен дигитализиран инструмент за управление. 

Торене с променлива норма

В едно стопанство торенето може да бъде с единна норма за целия парцел (фиксирано) или според индивидуалните нужди на растенията в различните зони (променливо). За прилагане на променливо торене, което взема предвид изискванията на растенията, е необходимо да се извърши почвен анализ на площите и въз основа на резултата се формира план за торене.  Плюсовете на този метод са ефективното използване на ресурсите и опазване на околната среда, съчетани с потенциално увеличаване на добивите. Един от недостатъците е необходимостта от техническо оборудване, както и вземане на почвени проби и изготвяне на прецизен план за торене, което отново може да се окаже непосилно за по-малките стопанства. 

Торене с „живи торове“ или микробиални торове

Микробиалните торове са вещества, които съдържат живи микроорганизми като бактерии от рода Rhizobium, Azotobacter, Azospirilium, цианобактерии (синьо-зелени водорасли) или водна папрат от рода Azolla . Те подобряват запаса на хранителни вещества в почвата чрез естествените процеси на азотно фиксиране и по този начин заместват химичния азот. Тяхното действие е продължително, което води до по-дълготрайно подобряване на плодородието на почвата. Един от минусите на този метод е, че микробиалните торове нямат един и същи ефект в различните агро-климатични условия, а и понякога в едни и същи такива, което означава, че е нужно още време за оптимизирането им. До този момент най-благоприятен ефект се постига в по-сухи климатични условия, каквито е вероятно да се наблюдават и у нас. Сценариите за климатичното изменение за България показват по-дълги засушавания. В тази връзка използването на този метод ще бъде един от методите за справяне с последиците от променените агро-климатични условия и деградацията на почвите. 

Все още живите торове обаче не са достатъчно разпространени и в тази връзка са нужни обучения в стопанствата и повече лабораторни и полеви експерименти. 

Други практики – добавяне на биовъглен

Биовъгленът е богат на въглерод продукт, получен при термичната декомпозиция на органичен материал (черупки от ядки, хранителни и горски отпадъци, стърготини и други) при наличие на малки количества кислород (газификация) или изцяло липса на O₂ (пиролиза). Понастоящем големи количества отпадъци биомаса от селското и горското стопанство или от общините се изгарят или се оставят да се разлагат в депа и да освобождават CO₂ и CH₄ обратно в атмосферата. Интересът към биовъглена като подобрител на почвата нараства значително през последните години поради потенциала му за смекчаване на последиците от изменението на климата. Поради своята стабилност в околната среда, той се препоръчва като дългосрочен метод за улавяне на въглерод. Освен това многобройни експертни проучвания доказват, че прилагането му в почвата може да подобри физическите, химичните и биологични ѝ свойства, което от своя страна води до намалени емисии на парникови газове, сред които и N₂O.

В заключение можем да направим извода, че трябва да се стремим към по-цялостна оценка на селскостопанските системи, като се разглеждат екологични, икономически и социални аспекти на устойчивостта. Малко вероятно е една стратегия да работи във всички региони и за всички растителни култури, но разумното и синхронизирано торене и напояване, съобразено с нуждите на реколтата, се очаква да намали емисиите в различните агро-климатичните зони.

Автор: Радина Калдамукова  / Климатека

Радина Калдамукова е магистър по геоекология от университета в град Тюбинген, Германия. Участник в програмата за експерти в областта на климатичните промени „Pioneers into practice“, организирана от най-голямото публично-частно партньорство в Европа в сферата на климата – Climate-KIC. Има интереси в областта на агроекологията и иновациите в земеделието, аквапониката, устойчивото използване на природните ресурси, почвознанието, палеоклиматологията и запазването на видовото разнообразие. Ентусиаст-градинар и привърженик на биоземеделието.

В публикацията са използвани материали от:

- МИНИСТЕРСТВО НА ЗЕМЕДЕЛИЕТО, ХРАНИТЕ И ГОРИТЕ СПИСЪК на земеделските практики от полза за климата и околната среда: https://www.mzh.government.bg/media/filer_public/2020/07/15/narchnik_na_dobrite_zemedelski_praktiki_-_predlozheniia_i_stanovishcha_do_10_avgust_2020__dTZGF46.pdf

- Bange, Hermann W., et al. (2019) A Harmonized Nitrous Oxide (N2O) Ocean Observation Network for the 21st Century. Frontiers in Marine Science 6. Frontiers,  doi:10.3389/fmars.2019.00157. Online available at: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00157/full 

- Hagemann, N., Harter, J., Kaldamukova, R., Guzman-Bustamante, I., Ruser, R., Graeff, S., Kappler, A., & Behrens, S. (2016). Does soil aging affect the N2O mitigation potential of biochar? A combined microcosm and field study. GCB Bioenergy, 9. Online available here

- Kleineidam, K., et al. (2011). Influence of the nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate (dmpp) on ammonia-oxidizing bacteria and archaea in rhizosphere and bulk soil, Chemosphere 84, no. 1, 182–186.

- Prijambada, I., Retnaningrum, E., Moeljopawiro, S., & Daryono, B. (2014). Effect of Biofertilizer Addition on Nitrous Oxide Emission. Journal of Basic & Applied Sciences, 10, 44-52.

- Verhoeven E., Pereira E., Decock C., Garland G., Kennedy T., Suddick E., Horwath W., Six J. 2017. N₂O emissions from California farmlands: A review. Calif Agr 71(3):148-159. Online available at: http://calag.ucanr.edu/archive/?article=ca.2017a0026 

- Voigt, C. et al. (2017). Increased nitrous oxide emissions from arctic peatlands after permafrost thaw, Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 24, 6238–6243. Online available at: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1702902114