Mens kulstofforurening får alle overskrifterne for sin rolle i klimaændringerne, er kvælstofforurening nok et mere udfordrende problem. På en eller anden måde er vi nødt til at dyrke flere fødevarer for at brødføde en voksende befolkning og samtidig minimere de problemer, der er forbundet med brugen af kvælstofgødning.
Alene i Europa anslås de miljømæssige og sundhedsmæssige omkostninger ved kvælstofforurening til at være 70-320 mia. euro om året.
Skvælstofemissioner som ammoniak, nitrogenoxid og nitrogenoxider bidrager til partikler og sur regn. Disse forårsager luftvejsproblemer og kræft hos mennesker og skader på skove og bygninger.
Stickstofholdige gasser spiller også en vigtig rolle i de globale klimaændringer. Lattergas er en særlig potent drivhusgas, da den er over 300 gange mere effektiv til at fange varme i atmosfæren end kuldioxid.
Stikstof fra gødning, spildevand fra husdyr og spildevand fra mennesker fremmer væksten af alger og forårsager vandforurening. Den anslåede skadesregning på 8,2 mia. A$ for Great Barrier Reef er en påmindelse om, at vores valg på landjorden har store konsekvenser for landjorden, vandet og luften nedstrøms.
Tomt kvælstof skader også landmændene, da det repræsenterer reduceret potentiel afgrødevækst eller spild af gødning. Denne virkning er mest akut for små landbrugere i udviklingslandene, for hvem kvælstofgødning ofte er den største omkostning ved landbruget. Den reducerede produktion som følge af kvælstoftab kan udgøre op til 25 % af husstandsindkomsten.
Løsningen på kvælstofudfordringen vil skulle komme fra en kombination af teknologisk innovation, politik og forbrugerindsats.
Den vigtige ingrediens
Stikstof er en vigtig byggesten for aminosyrer, proteiner og DNA. Plantevækst afhænger af det, og dyr og mennesker får det ved at spise planter eller andre dyr.
Stickstofgas (N₂) udgør 78 % af luften, men det kan ikke bruges af planter. Gødning fremstilles normalt af ammoniak, en form for kvælstof, som planterne foretrækker.
Et århundrede efter udviklingen af Haber-Bosch-processen gav os en måde at fremstille kvælstofgødning på, har vores efterspørgsel efter det endnu ikke lagt sig på et niveau.
Forbruget af kvælstofgødning er steget fra 11 millioner tons i 1961 til 108 millioner tons i 2014. I takt med at kuldioxidniveauet fortsat stiger i atmosfæren, vil nogle planter som f.eks. korn sandsynligvis også efterspørge mere kvælstof.
Samlet set udgør kvælstof fra gødning nu mere end halvdelen af proteinet i den menneskelige kost. Alligevel går omkring 50 % af det anvendte kvælstof tabt i miljøet i form af vandafstrømning fra markerne, dyreaffald og gasemissioner fra jordmikroorganismernes metabolisme.
Dette tab er steget i løbet af årtierne, efterhånden som brugen af kvælstofgødning er steget. Reaktivt kvælstof forårsager omfattende skader og vil forårsage mere skade, hvis tabet af kvælstof ikke begrænses.
Med en voksende befolkning og et skiftende klima er vi mere end nogensinde før nødt til at optimere brugen af kvælstof og minimere tabet.
Fra jord til bord
En måde at forstå vores kvælstofforbrug på er at se på vores kvælstoffodaftryk – den mængde kvælstofforurening, der frigives til miljøet fra fødevarer, boliger, transport samt varer og tjenesteydelser.
Forskning foretaget af ph.d.-studerende Emma Liang fra University of Melbourne viser, at Australien har et stort nitrogenfodaftryk. Med 47 kg kvælstof pr. person om året er Australien langt foran USA, som kom ind med 28 kg kvælstof pr. person.
En kost med et højt animalsk proteinindhold synes at være årsag til Australiens store kvælstoffodaftryk. Forbruget af animalske produkter tegner sig for 82 % af det australske fødevaremæssige kvælstoffodaftryk.
Dyre produkter er forbundet med høje kvælstofomkostninger sammenlignet med vegetabilske produkter. Begge produkter starter med de samme omkostninger i kvælstof som følge af dyrkning af en afgrøde, men der opstår yderligere betydelige tab, efterhånden som dyret forbruger føde i løbet af sin livscyklus.
Projektet N-Footprint har til formål at hjælpe enkeltpersoner og institutioner med at beregne deres nitrogenfodaftryk. Det viser, hvordan vi hver især kan have en indflydelse på kvælstofforureningen gennem vores daglige valg.
Vi kan vælge at spise proteinholdige kostformer med et lavere nitrogenfodaftryk, f.eks. grøntsager, kylling og fisk og skaldyr i stedet for okse- og lammekød. Vi kan vælge at reducere madspild ved at købe mindre mængder (og oftere, hvis det er nødvendigt) og kompostere madspild. Den gode nyhed er, at hvis vi reducerer vores kvælstoffodaftryk, reducerer vi også vores kulstoffodaftryk.
Tilbage til gården
I mellemtiden skal indsatsen for at udnytte kvælstof mere effektivt på gårdene fortsætte. Vi er ved at blive bedre til at forstå kvælstoftab fra jorden ved hjælp af mikrometerologiske teknikker.
I stedet for at sidde i solen med spandkamre af plastik, glasflasker og sprøjter bruger forskerne nu høje tårne og lasere til at registrere små ændringer i gaskoncentrationer over store områder og sende resultaterne direkte til vores computere.
Vi ved nu, at nitrifikation (når ammoniak omdannes til nitrat) er en vigtig årsag til kvælstoftab og dermed klimaændringer og skader på økosystemerne. Det er en proces, som forskerne – og landmændene – forsøger at reducere kvælstoftab.
Nitrifikationshæmmere anvendes nu kommercielt for at holde kvælstof i ammoniumformen, som planter foretrækker, og for at forhindre ophobning af nitrat, som lettere går tabt til miljøet.
I takt med at denne teknologi udvikler sig, begynder vi at få svar på spørgsmålet om, hvordan disse inhibitorer påvirker de mikrobielle samfund, der opretholder sundheden i vores jord og danner grundlaget for økosystemerne.
For eksempel viser vores forskning, at 3,4-dimethylpyrazolphosphat (bedre kendt som DMPP) hæmmer nitrifikation uden at påvirke jordens mikrobielle samfundsmangfoldighed.
Der er også gjort spændende observationer af, at rodsystemerne i nogle tropiske græsser hæmmer nitrifikationen. Dette åbner en forvaltningsmulighed for at bremse nitrifikationshastigheden i miljøet ved hjælp af genetiske metoder.
Løsningen af udfordringen med kvælstofudnyttelsen vil kræve forskning i mere effektive måder for primærproducenter at udnytte kvælstof på, men det vil også kræve statsligt lederskab og forbrugernes valg om at spilde mindre eller spise mere planteprotein. Disse redskaber vil gøre argumenterne for forandring klarere og gøre opgaven med at brødføde verden grønnere.
Den 4.-8. december mødes førende internationale forskere i Melbourne til den 7. internationale konference om kvælstofinitiativet for at drøfte de bedste nye løsninger på problemerne med kvælstofanvendelse. Hvis du vil se nærmere på disse spørgsmål, kan du besøge INI2016-webstedet eller slutte dig til en række fødevare- og produktionseksperter på konferencen Good Food for 9 Billion: Community Forum.