Italiano
English
Français
Deutsch
Español
Português
日本語
한국어
Русский
Affrontare i gas azotati provenienti dalle terre coltivate verso il livello basso
npj Climate and Atmospheric Science volume 5, numero articolo: 43 (2022) Citare questo articolo
7698 accessi
9 citazioni
69 Altmetrico
Dettagli sulle metriche
L'uso di fertilizzanti azotati in agricoltura produce quantità significative di gas azotati tra cui ammoniaca, ossido nitrico e protossido di azoto. Attraverso migliori pratiche di gestione dei terreni agricoli, è possibile ridurre le emissioni di gas azotati realizzando al tempo stesso un ambiente idrico pulito e un’agricoltura rispettosa del clima. In questo articolo, abbiamo innanzitutto fornito una panoramica dei movimenti internazionali sulla riduzione delle emissioni di gas azotato dai terreni agricoli. Quindi, abbiamo riassunto l’effetto delle pratiche di gestione agricola sull’efficienza nell’uso dell’azoto per varie colture e valutato il loro effetto sulle emissioni di gas azotato. I risultati hanno indicato l’importanza di implementare pratiche di gestione sostenibile specifiche del sito per migliorare l’efficienza nell’uso dell’azoto e quindi mitigare le emissioni di gas azotato. Abbiamo anche affrontato l’impatto delle attività agricole sui cicli dell’azoto nei terreni coltivati e evidenziato la necessità di eseguire valutazioni sistematiche dei compromessi con un ambito ben definito per massimizzare i benefici ambientali e preservare i servizi ecosistemici. Infine, abbiamo proposto tre direzioni prioritarie verso un’agricoltura a basse emissioni.
In agricoltura, un apporto sufficiente di azoto può garantire la sintesi di numerosi composti non proteici che partecipano alle azioni fisiologiche e metaboliche delle colture, riflettendosi di conseguenza nella resa e nella qualità delle colture1. In generale, la massa totale di azoto nei primi 15 cm del suolo è compresa tra lo 0,1% e lo 0,6% del peso del suolo, variando tra 2000 e 12000 kg-N ha−1, a seconda dei tipi di sistemi di suolo2. Nonostante l’importanza della fertilizzazione azotata per la coltivazione delle colture, apporti impropri o eccessivi di fertilizzanti azotati nei terreni agricoli comporterebbero impatti ambientali negativi. È noto che le applicazioni di fertilizzanti sono le principali fonti antropiche di emissioni di gas azotati, come ammoniaca (NH3), ossido nitrico (NO) e protossido di azoto (N2O). La ricerca ha indicato che le attività agricole di fertilizzazione e produzione di bestiame sono la principale fonte di NH3 (che rappresentano l’80-90% delle emissioni di origine antropica globale3), i principali contributori all’NO3 troposferico (che rappresentano il 10% di quello4,5) e il più grande fonte antropica di N2O (che rappresenta il 60-70% di quello5). Questi gas azotati sono componenti critici nell’indurre cambiamenti su scala regionale e/o globale nelle condizioni atmosferiche, come la formazione di foschia regionale da parte di NH3 e NO e il riscaldamento globale da parte di N2O.
L'NH3 è un inquinante atmosferico prevalente con un'ampia varietà di impatti negativi. Può neutralizzare gran parte delle specie acide, come SOx e NOx, per formare aerosol contenenti ammonio. Questi aerosol costituiscono i componenti principali del particolato fine (PM2,5), che provoca il degrado della qualità dell’aria e impatti negativi sulla salute umana. Secondo le stime di Lelieveld et al.6, il contributo delle emissioni di NH3 derivanti dalle attività agricole globali al PM2,5 e alla mortalità prematura associata è di circa il 20%. Nel 2014, le emissioni globali di NH3 derivanti dall’uso di fertilizzanti a base di azoto sintetico e letame erano rispettivamente pari a 12,3 e 3,8 Tg-N all’anno7. Inoltre, l’NH3 alla fine ritorna nei suoli e nelle acque superficiali attraverso la deposizione umida o secca8, portando così all’acidificazione, all’eutrofizzazione e alla perdita di biodiversità degli ecosistemi naturali. Allo stesso modo, l'NO svolge un ruolo importante nella chimica atmosferica poiché può catalizzare la produzione di ozono troposferico e di altri ossidanti fotochimici (ad esempio, acido nitrico) nell'atmosfera. È stato stimato che le emissioni globali di NO dal suolo fossero pari a 21 Tg-N all’anno, con un errore di ± 4‒10 Tg-N all’anno9. Le quantità di emissioni di NOx dai suoli sono generalmente basse; tuttavia, prima di essere convertito in azoto inerte, in condizioni reali potrebbero formarsi quantità significative di N2O2.
For agricultural NO emission, Wang, et al.39 estimated that the annual NO emission from soils was about 657 Gg-N, and approximately 73.7% and 22.0% of the total NO emissions in July 1999 originated from arable lands and grasslands, respectively. Another study by Lu, et al.40 estimated that the annual soil NOx emissions above canopy in 2008–2017 were 0.77 ± 0.04 Tg-N. For comparison, the total anthropogenic NOx emissions, including power plant, industry, transportation, and residential processes, over China in 2010 were estimated to be 27.3 Tg per year (derived from MEIC v1.2)41. For the agricultural N2O source, Gao, et al.2O emissions from Chinese croplands from 1980 to 2007 using localized emission factors. Biogeosciences 8, 3011–3024 (2011)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR42" id="ref-link-section-d498526e1425"42 estimated the direct N2O emission from paddy soils in China in 2007 was approximately 35.7 Gg N2O-N per year, with an annual increase rate of 0.4% since 1980. During 2007–2016, the soil N2O emission in China was about 1.4 ± 0.8 Tg-N per year28./p> Both balanced fertilization and improved NUE are always the most effective strategies to reduce nitrogenous oxide emissions from farmlands. Aside from the above front-end approaches, the NO emission can be controlled by a number of back-end practices, such as (i) adjustments of soil moisture, (ii) the application depth of N fertilizer, (iii) the use of organic fertilizers, and (iv) the use of controlled-release fertilizers. The increase in the application depth of fertilizers could effectively reduce the NO emission because of potential NO sorption by soils. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e4919">124. For urea, deep placement (e.g., 0.12 m deep in the case of Andisols125) would be highly effective in reducing NO emissions; however, relatively less effective on N2O emissions. For the organic farming system, a number of studies have proven that organic fertilizers could greatly reduce nitrogenous oxide emissions from various crops, such as managed vegetable systems115. Organic fertilizers could result in a low NO emission intensity as the denitrification could be enhanced by the increase of soil organic carbon and pH115. Cheng, et al.. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e4938"124 also noticed that banded controlled-release urea can significantly reduce the NO emission by 78.8‒82.6%, in comparison with the conventional urea. However, the effect of organic farming on N2O emission reduction is still a topic of discussion. For instance, a recent study126 indicated that the use of livestock manures could reduce both NO (by 46.5–59.8%) and N2O (by 41.4–49.6%) emissions in comparison to urea fertilizer. Abbasi, et al.127 also found that the use of organic manure in corn growing seasons would produce less N2O emissions, compared to innorganic ammonium nitrate; however, it resulted in a higher N2O emission in unfertilized soybean seasons./p> For reducing the N2O emission, several practical methods have been developed and deployed, such as (i) keeping soils in aerobic conditions by optimum irrigation-drainage management, and avoidance of soil compaction by animals or traffic2, (ii) using slow release fertilizers128, urease inhibitor129, or nitrification inhibitor130, (iii) incorporating (bio-)organic fertilizers131 and biochars132 in soil-plant systems, and (iv) sowing legume crops in the fallow period between crop cycles133. In particular, the green practice of using inhibitors has been greatly advocated by numerous studies. Subbarao and Searchinger134 propsed the concept of maintaining the status of fertilizers in soil systems as a "more ammonium solution" by applying biological nitrification inhibitors. Biological nitrification inhibitors typically work at least 10 cm underground in the rhizosphere; therefore, the NH3 emission from soils, on the other hand, would not increase135. Wang, et al.130 has critically reviewed the effect of biological nitrification inhibitors on the N2O emission. Nitrification inhibitors can be transported through the roots to the active sites for nitrification in the soils to increase NUE and yield, thereby reducing N2O emissions. For instance, the use of the urease and/or nitrification inhibitors can significantly reduce N2O emissions, e.g., by up to 65.4% in the case of NBPT and DCD129. Maaz, et al.107 also reported a wide range of N2O emission reduction by 8‒100% when introducing nitrification inhibitors or combined with urease inhibitors. Cheng, et al.. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e5025"124 also noticed that banded controlled-release urea can significantly reduce the N2O emission by 31.6‒40.5%, in comparison with the conventional urea./p>