Badania pokazują, że fosfor jest wypłukiwany z gleb Stanów Zjednoczonych do rzek pod wpływem zmian klimatycznych i praktyk rolniczych.
Prowadzi to do zakłóceń ekologicznych i stwarza wyzwania dla bezpieczeństwa żywnościowego, wymagając innowacyjnych technologii rolniczych w celu łagodzenia skutków.
Zubożenie fosforu w glebach USA
Fosfor, kluczowy składnik odżywczy gleby niezbędny do podtrzymania większości form życia, jest w coraz większym stopniu tracony z pól uprawnych i trafia do dróg wodnych w całych Stanach Zjednoczonych. Tę niepokojącą tendencję odkryto w nowym badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Penn State.
Opublikowano dzisiaj (18 listopada) w Postępowanie Narodowej Akademii Naukw badaniu przeanalizowano dane z 430 rzek w całych Stanach Zjednoczonych na przestrzeni czterdziestu lat. Z ustaleń wynika, że utrata fosforu z gruntów rolnych znacznie wzrosła pomimo ciągłych wysiłków mających na celu jej ograniczenie. Naukowcy ostrzegają, że strata ta zagraża plonom, co może prowadzić do wyższych cen żywności.
Wpływ pogody i erozji gleby na poziom fosforu
„Na podstawie ostatnich wydarzeń pogodowych widzieliśmy, że ilość wody, czyli ilość wody niesiona przez burze i drogi wodne, może prowadzić do niebezpiecznych powodzi i lawin błotnych” – wyjaśnił Li Li, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej w Penn State oraz autor korespondencyjny na temat badanie. „Chcieliśmy zrozumieć, co dzieje się z lądem, gdy burze wciągają pod powierzchnię gleby do rzek i strumieni. Odkryliśmy alarmującą utratę tego skończonego pierwiastka, który pozwala glebie podtrzymać życie”.
Fosfor odgrywa zasadniczą rolę w różnych procesach biologicznych, takich jak tworzenie DNA strukturę i ułatwia transfer energii między komórkami, wyjaśnił Li. Jednak w przeciwieństwie do azotu, innego ważnego składnika odżywczego gleby, fosfor jest zasobem nieodnawialnym o ograniczonych złożach geologicznych, co oznacza, że gdy przedostanie się z lądu do wody, nie może wrócić do lądu.
Wyzwania związane z gospodarką fosforem
„Jest to problem z wielu powodów” – powiedział Li. „Kiedy zostanie utracony z pól uprawnych, może zmniejszyć plony, potencjalnie prowadząc do wyższych cen żywności. Następnie, gdy fosfor przedostanie się do naszych dróg wodnych, może spowodować szkodliwe zakwity glonów, które mogą sprawić, że woda stanie się niebezpieczna do pływania i wędkowania, a nawet może obniżyć poziom tlenu w wodzie i zabić ryby i inne organizmy wodne. Zwiększa także koszty uzdatniania wody pitnej, co oznacza wyższe rachunki za wodę dla nas wszystkich”.
W badaniu wykorzystano wyrafinowany model głębokiego uczenia się do analizy danych z czterdziestu lat, od 1980 do 2019 r., z 430 rzek w sąsiadujących ze sobą Stanach Zjednoczonych. Okazało się, że chociaż w 60% badanych rzek spadł poziom fosforu, wzrosła ogólna ilość fosforu wpływającego do rzek. Obszary rolnicze w największym stopniu przyczyniają się do tego problemu, przy czym poziom fosforu wzrasta w większości rzek w pobliżu obszarów rolniczych, podczas gdy w rzekach w pobliżu obszarów miejskich spada.
Rozwiązanie problemu poprzez innowacje
„To sugeruje, że wysiłki mające na celu kontrolę zanieczyszczenia fosforem ze źródeł takich jak ścieki rolnicze nie są tak skuteczne, jak sądziliśmy” – stwierdził Li. „Jednak spadający poziom fosforu, szczególnie w rzekach przepływających przez obszary miejskie, sugeruje, że wysiłki mające na celu kontrolę zanieczyszczenia fosforem ze źródeł punktowych, takich jak oczyszczalnie ścieków, przynoszą skutek”.
Pomimo tych ukierunkowanych wysiłków Li stwierdził, że ogólna zwiększona ilość fosforu wpływającego do rzek wynika ze zwiększonej częstotliwości ekstremalnych zjawisk pogodowych, które prowadzą do większych opadów i wyższych przepływów w rzekach – wraz ze zwiększonym przepływem pojawia się więcej fosforu.
„Oznacza to, że chociaż lepiej radzimy sobie z ograniczaniem zanieczyszczenia fosforem z obszarów miejskich, problem ogólnie się pogłębia z powodu czynników w dużej mierze niezależnych od tylko jednego regionu” – stwierdził Li. „To problem powiązany ze zmianami klimatycznymi”.
Autorzy badania stwierdzili, że w przyszłości zanieczyszczenie fosforem pochodzące z rolnictwa wymaga lepszego zapobiegania i łagodzenia skutków, co będzie wyzwaniem, zwłaszcza że bardziej wilgotne burze powodują zwiększone opady deszczu i przepływ rzek. Stwierdzili, że będzie to prawdopodobnie wymagało połączenia nowych technologii i zmian w praktykach rolniczych.
Innowacyjne rozwiązania problemu zanieczyszczenia fosforem
Jedna z takich technologii została wynaleziona w Penn State i obecnie zyskuje wsparcie ze strony sektora technologii rolniczych, aby rozwiązać problem na dużą skalę. Hunter Swisher, absolwent Penn State w 2016 r., jest założycielem i dyrektorem naczelnym Fosfolicjenawóz opracowany w celu zwiększenia wydajności fosforu w glebie.
Opracował technologię firmy podczas studiów licencjackich z nauk o roślinach w Penn State. Niedawno firma ogłosiła wyniki badania potwierdzając, że produkt zmniejsza potencjał spływu o 78% w porównaniu do konwencjonalnych nawozów fosforowych. Fospholutions aktywnie sprzedaje się w obu Amerykach, Europie i Indiach.
„Opowiadamy się za większą innowacyjnością, kreatywnością i pilnością” – powiedział Li. „Połączenie między wodą a lądem jest niezbędne, a równowaga ta staje się coraz bardziej krucha”.
Odniesienie: „Rosnąca utrata fosforu pomimo powszechnego spadku stężenia w rzekach USA” 18 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2402028121
Inni autorzy z Penn State to Wei Zhi, były adiunkt w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiskowej w Penn State, a obecnie profesor na Uniwersytecie Hohai w Chinach; Jiangtao Liu, doktorant w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiskowej; Elizabeth Boyer, profesor nauk o środowisku; Chaopeng Shen, profesor inżynierii zasobów wodnych; oraz Xiaofeng Liu, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej. Inni autorzy to Hubert Baniecki z Uniwersytetu Warszawskiego w Polsce i Gary Shenk z United States Geological Survey.
Prace te były wspierane przez profesorów Barry’ego i Shirley Isettów w Penn State, platformę obliczeń wysokiej wydajności Uniwersytetu Hohai, amerykańską Narodową Fundację Nauki, Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz polskie Ministerstwo Edukacji i Nauki.
