DOI: https://doi.org/10.1007/s44279-024-00060-z
تاريخ النشر: 2024-07-29
المؤلف: Ahmmed Md Motasim وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على الدور الحاسم لليوريا كسماد مستخدم على نطاق واسع في تعزيز الأمن الغذائي العالمي، بينما تتناول أيضًا التحديات المرتبطة بإدارتها. إن توفر اليوريا العالي للنباتات يجعلها عرضة لآليات فقدان مختلفة، بما في ذلك انبعاثات الأمونيا (NH₃)، تسرب النترات (NO₃⁻)، وانبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O)، والتي تساهم في تلوث البيئة وتشكل مخاطر صحية من خلال مياه الشرب الملوثة. تؤكد الورقة على أهمية فهم تفاعلات التربة والنبات بعد تطبيق اليوريا، وتحديد العوامل التي تؤثر على توفر النيتروجين وفقدانه، والدعوة إلى ممارسات إدارة فعالة لتحسين كفاءة استخدام النيتروجين (NUE).
تشير الاستنتاجات المستخلصة من المراجعة إلى أنه بينما تعتبر اليوريا ضرورية للإنتاجية الزراعية، فإن سوء إدارتها يؤدي إلى انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة وانخفاض كفاءة استخدام النيتروجين (NUE)، ويرجع ذلك أساسًا إلى الفقد الغازي والتسرب. يقترح المؤلفون أن طرق التطبيق البديلة، مثل الحلول المنفصلة أو المائية لليوريا، قد تعزز امتصاص النيتروجين واستخدامه من قبل النباتات، مما يقلل من الفقد. بالإضافة إلى ذلك، يشيرون إلى أن تقنيات التطبيق غير الصحيحة، والاستخدام المفرط، والعوامل البيئية تزيد من فقدان اليوريا، مما يزيد في النهاية من تكاليف الإنتاج ويعطل النظم البيئية. تعتبر المراجعة مرجعًا علميًا لتحقيق إنتاج زراعي مستدام مع تقليل فقدان النيتروجين وتأثيرات البيئة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية اليوريا كسماد نيتروجين (N) السائد عالميًا، حيث تمثل 73.4% من إجمالي استخدام سماد النيتروجين. على الرغم من تطبيقها الواسع، فإن اليوريا تطرح تحديات كبيرة، بما في ذلك معدلات فقدان النيتروجين التي تتراوح بين 20-60% وكفاءة استخدام النيتروجين (NUE) المنخفضة التي تتراوح بين 30-40%، مع محاصيل معينة مثل الذرة تظهر كفاءة استخدام نيتروجين منخفضة تصل إلى 10-50%. يعتبر القطاع الزراعي مساهمًا رئيسيًا في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، حيث يفقد أكثر من نصف اليوريا المطبقة من خلال الانبعاثات الغازية والتسرب، ويرجع ذلك أساسًا إلى طرق التطبيق السطحية.
تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على فقدان النيتروجين سرعة ومدى تحلل اليوريا والمعادن، والتي تتأثر بشكل كبير بمحتوى الماء في التربة. يزيد الرطوبة في التربة من تسريع تحلل اليوريا والمعادن، مما قد يقلل من الفقد الغازي للنيتروجين من خلال توزيع اليوريا والأمونيوم ($\text{NH}_4^+$) أعمق في التربة. ومع ذلك، فإن معدلات التطبيق الأعلى لليوريا تتوافق مع زيادة تطاير الأمونيا ($\text{NH}_3$)، وانبعاثات أكسيد النيتروز ($\text{N}_2\text{O}$)، وتسرب النيتروجين. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لتعزيز كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) وتقليل انبعاثات غازات الدفيئة لتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة وتقليل التأثيرات البيئية.
نقاش
يتناول قسم النقاش في ورقة البحث الأشكال المختلفة لأسمدة اليوريا المتاحة في السوق، بما في ذلك الحبيبات، والكرات، والحلول، كل منها بمحتوى نيتروجين (N) وكفاءات تطبيق مختلفة. تم تصميم أنواع اليوريا المغلفة والمعدلة، مثل التركيبات ذات الإطلاق البطيء والمتحكم فيه، لتعزيز كفاءة المغذيات وتقليل فقدان النيتروجين من خلال التطاير والتسرب. ومع ذلك، بينما يمكن أن تقلل هذه التعديلات من توفر النيتروجين الفوري للمحاصيل، فإنها قد تؤدي أيضًا إلى زيادة إجمالي فقدان النيتروجين مع مرور الوقت. تُعتبر اليوريا السائلة، مثل UAN (28% N)، معروفة بتحللها السريع وتحسين امتصاص النيتروجين في التربة، مما يعزز توفر المغذيات الفورية.
تناقش الورقة أيضًا المخاوف البيئية والصحية المرتبطة بتطبيق اليوريا. يمكن أن تؤدي خسائر النيتروجين من اليوريا إلى انبعاثات غازات الدفيئة، مثل أكسيد النيتروز (N₂O) والأمونيا (NH₃)، مما يساهم في تلوث الهواء وتلوث المياه. يمكن أن يؤدي الاستخدام المفرط لليوريا إلى تدهور التربة، واختلال توازن المغذيات، وتأثيرات ضارة على تنوع الميكروبات في التربة. علاوة على ذلك، يشكل تسرب النترات مخاطر كبيرة على جودة المياه الجوفية، مع مخاطر صحية محتملة للبشر، خاصة في الفئات السكانية الضعيفة. يبرز القسم أهمية تحسين طرق وتوقيت تطبيق اليوريا لتخفيف هذه التأثيرات السلبية مع ضمان امتصاص المغذيات بشكل فعال من قبل المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44279-024-00060-z
Publication Date: 2024-07-29
Author(s): Ahmmed Md Motasim et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
The review highlights the critical role of urea as a widely used fertilizer in enhancing global food security, while also addressing the challenges associated with its management. Urea’s high availability to plants makes it susceptible to various loss mechanisms, including ammonia (NH₃) emissions, nitrate (NO₃⁻) leaching, and nitrous oxide (N₂O) emissions, which contribute to environmental pollution and pose health risks through contaminated drinking water. The paper emphasizes the importance of understanding the soil-plant interactions following urea application, identifying factors that influence nitrogen availability and loss, and advocating for effective management practices to optimize nitrogen use efficiency (NUE).
The conclusions drawn from the review indicate that while urea is essential for agricultural productivity, its mismanagement leads to significant greenhouse gas emissions and low NUE, primarily due to gaseous losses and leaching. The authors suggest that alternative application methods, such as split or aqueous solutions of urea, may enhance nitrogen adsorption and plant uptake, thereby mitigating losses. Additionally, they point out that improper application techniques, excessive usage, and environmental factors exacerbate urea loss, ultimately increasing production costs and disrupting ecosystems. The review serves as a scientific reference for achieving sustainable crop production while minimizing nitrogen losses and environmental impacts.
Introduction
The introduction highlights the significance of urea as the predominant nitrogen (N) fertilizer globally, accounting for 73.4% of total N fertilizer usage. Despite its widespread application, urea poses substantial challenges, including nitrogen loss rates ranging from 20-60% and low nitrogen use efficiency (NUE) of 30-40%, with specific crops like corn exhibiting NUE as low as 10-50%. The agricultural sector is a major contributor to greenhouse gas (GHG) emissions, with over half of the applied urea lost through gaseous emissions and leaching, primarily due to surface application methods.
Key factors influencing nitrogen loss include the speed and extent of urea hydrolysis and mineralization, which are significantly affected by soil water content. Increased soil moisture accelerates urea hydrolysis and mineralization, potentially reducing gaseous nitrogen losses by dispersing urea and ammonium ($\text{NH}_4^+$) deeper into the soil. However, higher application rates of urea correlate with increased volatilization of ammonia ($\text{NH}_3$), nitrous oxide ($\text{N}_2\text{O}$) emissions, and nitrogen leaching. Consequently, there is an urgent need to enhance NUE and mitigate GHG emissions to promote sustainable agricultural practices and minimize environmental impacts.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the various forms of urea fertilizers available in the market, including granules, pellets, and solutions, each with differing nitrogen (N) content and application efficiencies. Coated and modified urea types, such as slow-release and controlled-release formulations, are designed to enhance nutrient efficiency and minimize nitrogen losses through volatilization and leaching. However, while these modifications can reduce immediate N availability to crops, they may also lead to higher total N losses over time. Liquid urea, such as UAN (28% N), is noted for its rapid hydrolysis and improved N adsorption in soil, which enhances immediate nutrient availability.
The paper also addresses the environmental and health concerns associated with urea application. Nitrogen losses from urea can lead to greenhouse gas emissions, such as nitrous oxide (N₂O) and ammonia (NH₃), contributing to air pollution and water contamination. Excessive urea use can result in soil acidification, nutrient imbalances, and detrimental effects on soil microbial diversity. Furthermore, nitrate leaching poses significant risks to groundwater quality, with potential health hazards for humans, particularly in vulnerable populations. The section highlights the importance of optimizing urea application methods and timing to mitigate these negative impacts while ensuring effective nutrient uptake by crops.