Производство синтетических удобрений и борьба с продовольственным кризисом


Прогнозы глобального продовольственного кризиса — что мировое производство продовольствия не сможет идти в ногу с ростом населения-имеют давнюю историю. В XVIII веке английский священнослужитель Томас Роберт Мальтус выдвинул гипотезу о том, что прирост ресурсов на душу населения неизбежно будет опережать прирост населения до тех пор, пока запасы продовольствия окончательно не станут препятствием для дальнейшего роста.

 

Такие предсказания продолжались и в 20-м, и в 21-м веках; в своей спорной книге 1968 года "PopulationBomb" Пол Эрлих утверждал, что глобальное население будет продолжать расти вплоть до момента массового голода.

 

И Мальтус, и Эрлих должны быть удивлены, увидев нынешнее состояние мира. Сегодня мы можем поддерживать мировое население в размере около 7,4 миллиарда человек (и оно растет), причем многие потребляют намного больше, чем требуется.

 

Существует целый ряд научно-технических новшеств, которые позволили добиться быстрого роста урожайности сельскохозяйственных культур, особенно во второй половине XX века. Ни один из этих факторов не оказал более значительного воздействия, чем способность производить синтетические азотные удобрения.

 

На самом деле, по оценкам, азотные удобрения в настоящее время поддерживают примерно половину мирового населения. Другими словами, Фриц Хабер и Карл Бош — пионеры этого технологического прорыва — по оценкам, обеспечили жизнь нескольким миллиардам людей, которые в противном случае умерли бы преждевременно или вообще никогда не родились.

 

Вполне возможно, что существование каждого второго человека, читающего эту книгу, восходит к их инновациям 20-го века.

 

Атмосферная алхимия: создание удобрения из воздуха

 

Понимание значимости азотных удобрений требует краткого объяснения их роли в мировом растениеводстве. В дополнение к воде и солнечному свету, зерновые культуры нуждаются в трех ключевых питательных веществах для роста: азот, фосфор и калий. Азот часто является питательным веществом, которое ограничивает дальнейшее производство сельскохозяйственных культур, несмотря на то, что атмосфера Земли содержит более 78 процентов. Это происходит потому, что в атмосфере азот существует в своей в основном нереактивной форме N2, а не в реактивной форме, которую растения могут использовать.

 

На протяжении тысячелетий сельскохозяйственные культуры были вынуждены полагаться на ограниченное количество реактивного азота, который естественным образом присутствовал в почвах и экосистемах.

 

Так продолжалось до 1908 года, когда немецкий химик Фриц Хабер разработал процесс, с помощью которого атмосферный N2 может быть преобразован в аммиак (NH3) – форму реактивного азота, которую могут использовать растения.

 

Карл Бош, другой немецкий химик и инженер, смог взять лабораторный процесс Фрица Хабера и развить его в промышленных масштабах. Комбинированный "процесс Хабера-Бош" остается основным промышленным методом получения синтетических азотных удобрений.
Сколько людей питается азотными удобрениями?

 

Проще говоря, сельскохозяйственные культуры обычно положительно реагируют на поступление питательных веществ. Как мы подробно исследуем в нашей статье о урожайности сельскохозяйственных культур, урожайность сельскохозяйственных культур и внесение удобрений обычно показывают сильную положительную взаимосвязь. Применение удобрений в сочетании с другими факторами продуктивности, такими как улучшенные сорта сельскохозяйственных культур, генетическая селекция, орошение и механизация, привело к значительному изменению тенденций урожайности сельскохозяйственных культур во всем мире в 20 веке. Следует отметить, что этот рост сельскохозяйственного производства — как промышленного, так и органического — несомненно привел к значительному экологическому и ресурсному давлению. Однако, как мы подробно описываем в недавнем блоге, органическое сельское хозяйство (то есть сельское хозяйство без синтетических ресурсов) часто может оказывать большее воздействие на окружающую среду, чем обычное сельское хозяйство.

 

Итак, сколько людей на самом деле питается синтетическими азотными удобрениями? Ниже мы опираемся на несколько опубликованных оценок, которые, как правило, сходятся на аналогичной доле мирового населения. Результаты, опубликованные Erisman et al. (2012) в научном журнале Nature показаны на графике.

 

Эти результаты также тесно связаны с широко цитируемыми оценками Вацлава Смила, которые мы обсудим позже.

 

На графике мы видим фактическую тенденцию мирового населения в голубом цвете-рост примерно с 1,65 миллиарда в 1900 году до почти 7,4 миллиарда в 2015 году.


Серая линия представляет собой оценку количества людей, питающихся синтетическими азотными удобрениями. Как мы видим, азотные удобрения стали доступны только после коммерциализации процесса Хабера-Боша с 1910 года. С тех пор Эрисман и др. подсчитайте, что за последнее столетие он поддерживал 42 процента мировых рождений. Это составляет 44 процента мирового населения в 2000 году, которое питается азотными удобрениями, и возросло до 48 процентов в 2008 году. Здесь мы расширили эту оценку до 2015 года с продолжением предположения о том, что 48 процентов мирового населения питается азотными удобрениями. Поскольку доля, поддерживаемая этим процессом, продолжает расти, это может фактически быть консервативной оценкой. Это означает, что в 2015 году азотные удобрения поддерживали 3,5 миллиарда человек, которые в противном случае погибли бы.


Красная линия представляет собой размер мирового населения, которое, таким образом, будет поддерживаться без использования азотных удобрений. Это показано просто как фактическое население минус число людей, зависящих от них для производства продовольствия. Без этого нововведения население планеты могло бы сократиться лишь до 3,5-4 миллиардов человек.

 

Население мира с синтетическими азотными удобрениями и без них

Оценки численности мирового населения, зависящего от синтетических азотных удобрений, производимых в рамках процесса Хабера-Бош для производство продовольствия. Наилучшие оценки показывают, что чуть более половины мирового населения можно было бы поддерживать без реактивных мер азотное удобрение, полученное в результате процесса Хабера-Босха.

 

Как мы можем оценить количество накормленных людей?

 

Во-первых, важно отметить, что эти оценки по понятным причинам трудно получить с высокой степенью достоверности. Эта трудность возникает по нескольким причинам. Примечательно, что на протяжении 20 — го и 21-го веков в сельском хозяйстве был внесен ряд дополнительных вкладов в повышение производительности, включая селекцию сельскохозяйственных культур, орошение, механизацию и методы управления сельским хозяйством-распутывание индивидуальной роли только азотных удобрений является сложной задачей. Во-вторых, глобальная продовольственная система сложна и географически крайне неравномерна: страны с высоким уровнем дохода перешли от стадии стремления удовлетворить основные потребности в питании за счет производства продовольствия и теперь выделяют значительную долю производства продовольствия на мясо (которое является гораздо менее эффективным преобразователем азота) и производство биоэнергии.

 

Тем не менее общие оценки, как правило, сходятся на цифре в диапазоне 40-50 процентов населения. Давайте рассмотрим три широко цитируемые оценки:

 

Используя ряд долгосрочных оценок, охватывающих в общей сложности 362 сезона растениеводства, урожайности сельскохозяйственных культур и бюджетов питательных веществ по всему миру, Стюарт и др. (2005) пришли к выводу, что увеличение урожайности на 30-50% может быть связано с использованием синтетических удобрений (и, как правило, даже выше в тропиках).

 

Smil (2004) пришел к аналогичным выводам, предположив с высокой степенью уверенности, что мировые урожаи сельскохозяйственных культур составят примерно половину нынешнего уровня без внесения азотных удобрений.


Вацлав Смил выводит свои расчеты, основанные на использовании азотных балансов сельскохозяйственных культур, скота и человеческого белка (из которых строительными блоками являются азот). Его азотный баланс заключил, что 85 процентов всего азота в пищевом белке для людей получают из пахотных земель; остальная часть поступает из морепродуктов или скота на пастбищах. Поскольку азотные удобрения обеспечивали примерно половину питательных веществ в этой собранной культуре, он подсчитал, что в середине 1990-х годов они обеспечивали 40 процентов пищевого белка. Он пришел к выводу, что 40 процентов мирового населения в 2000 году зависело от производства продовольствия из синтетических удобрений.


Эрисман и др. (2012) с тех пор обновили эти оценки до 2008 года, оценив аналогичную (но несколько более высокую) долю в размере 44 процентов в 2000 году и 48 процентов в 2008 году.

 

Сложность глобальной продовольственной системы затрудняет получение точных данных, однако вполне вероятно, что чуть менее половины мирового населения зависит от синтетических азотных удобрений. Это также показано на диаграмме. В результате процесс Хабера-Босха, вероятно, позволил бы сегодня обеспечить жизнь по меньшей мере 3-3,5 миллиардов человек.

 

Мировое население поддерживается синтетическими азотными удобрениями

Оценки доли мирового населения, которая могла бы быть обеспечена производством синтетических наркотиков и без него азотные удобрения (по технологии Haber-Bosch) для производства пищевых продуктов. Лучшие оценки проекта, что чуть более половины
мировое население можно было бы поддерживать и без реактивных азотных удобрений, полученных в результате процесса Хабера-Босха.

 

Могли бы мы достичь того же самого без синтетического азота?

Если бы Фриц Хабер не открыл, как производить синтетический азот, нашли бы мы альтернативные решения для поддержания такого большого населения, как сегодня?

 

Решение этого вопроса отчасти опирается на ретроспективные догадки о том, удалось ли бы нам в отсутствие синтетических азотных удобрений поставлять азот другими способами. Если бы Фриц Хабер или Карл Бош (или любой другой ученый) не разработали метод преобразования инертного атмосферного азота в реактивный азот, который могли бы использовать растения, какова вероятность того, что другие решения заполнили бы этот пробел?

 

Одним из решений было бы значительно увеличить производство азотфиксирующих бобовых культур. Как отмечалось ранее, зернобобовые культуры (например, горох, фасоль и другие бобовые) обладают уникальной способностью превращать (или "фиксировать") атмосферный азот в реактивный азот в почве. Таким образом, выращивание этих культур может со временем увеличить источники азота в почве. Хотя это могло бы достоверно увеличить общую доступность реактивного азота в некоторой степени, это вряд ли было широко масштабируемым решением по нескольким причинам.

 

Во-первых, бобовые имеют тенденцию к более низкой урожайности по сравнению с зерновыми и другими основными культурами. Это верно и для сегодняшних урожаев, но также верно и для исторических урожаев — в конце девятнадцатого века урожайность западноевропейских бобовых обычно была меньше половины урожая основных зерновых культур.

 

У фермеров в 19-м и начале 20-го века было бы мало стимулов для широкого внедрения этих культур. Во-вторых, несмотря на многочисленные питательные и экологические преимущества бобовых культур, они составляют лишь небольшой компонент рациона большинства людей. Кроме того, предпочтения в отношении бобовых и бобовых культур, как правило, снижаются по мере роста доходов и расширения выбора продуктов питания. Общий аппетит к бобовым культурам — как с точки зрения фермера, так и с точки зрения диетических предпочтений-означает, что было бы очень маловероятно, что они смогли бы поставлять азот в масштабах, близких к масштабам процесса Хабера-Босха в течение всего 20-го века.

 

Еще одним потенциальным источником азота являются органические отходы — сегодня азот поступает во многие системы органического земледелия в виде навоза животных. Не могли бы мы вместо этого положиться на эти несинтетические источники азота? До появления Haber-Bosch и создания синтетических источников азота большинство сельскохозяйственных систем полагалось на переработку навоза, отходов и другой биомассы обратно в почву для поддержания азотного баланса. Проблема в том, что они существовали в ограниченном количестве: переработка питательных веществ, по определению, означает, что у вас есть ограниченный запас. Это позволяло обществам поддерживать умеренные уровни азота, но не позволяло им создавать больше. Как подробно обсуждает Smil (2004), предыдущие общества, как правило, могли поддерживать лишь небольшое количество домашних животных и в результате имели очень ограниченные запасы навоза и отходов животноводства.

 

Синтетический азот не только увеличил урожайность сельскохозяйственных культур, но и позволил увеличить поголовье скота. Возросшая урожайность и избыток зерновых культур позволили фермерам выделять все большую долю продукции животноводству-в частности, зернофуражным животным. В целом, это увеличило количество реактивного азота, который может быть переработан через наши сельскохозяйственные системы; с увеличением поголовья скота у нас также есть больше навоза для переработки. Но важно признать, что такие уровни источников органического азота доступны только благодаря предыдущим поступлениям синтетического азота. Создание синтетического азота доставляло в почву химически активный азот, который затем мог быть переработан в виде органических отходов и биомассы. Если органический азот сегодня может поддерживать большую часть мирового населения, то это происходит потому, что синтетический азот позволяет ему делать это, добавляя химически активный азот в наши сельскохозяйственные системы. Без открытия Фрица Хабера это никогда бы не стало возможным.

ИСТОЧНИК

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (04.01.2020)
Просмотров: 21 | Рейтинг: 0.0/0