کودهای شیمیائی

1. تعریف کود
2. تاریخچه کود
3. انقلاب سبز
4. اثرات زیست محیطی
5. ملاحظات میکروبیولوژیکی
6. کودهای تک مغذی
7. کودهای چند مغذی
8. کودهای نیتروژنی
9. کودهای فسفاته
10. کودهای پتاسیمی
11. کودهای آلی
12. مصرف کود
13. کودهای آزاد شده کند و کنترل شده
14. مواد شیمیایی که بر جذب نیتروژن تأثیر می‌گذارند
15. اثرات محیط زیستی
16. کاهش مصرف هیدروژن و پایداری

تعریف کود

کود یا کود شیمیایی، هر ماده‌ای با منشأ طبیعی یا مصنوعی است که به خاک یا بافت گیاهان اعمال می‌شود تا مواد مغذی گیاه را تأمین کند. کودها ممکن است با مواد آهکی یا سایر اصلاحات خاک غیر مغذی متفاوت باشند. بسیاری از منابع کود، چه طبیعی و چه تولید صنعتی، وجود دارند. برای اکثر شیوه‌های کشاورزی مدرن، کوددهی بر سه ماده مغذی اصلی (ماکرو) متمرکز است: نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم (K)، با افزودن گاه به گاه مکمل‌هایی مانند پودر سنگ برای ریز مغذی‌ها.

تاریخچه کود

در گذشته، کود از منابع طبیعی یا آلی به دست می‌آمد: کمپوست، کود حیوانی، کود انسانی، مواد معدنی برداشت‌شده، تناوب کشت و محصولات جانبی صنایع مرتبط با انسان و طبیعت (به عنوان مثال، ضایعات فرآوری ماهی یا پودر خون از کشتارگاه حیوانات). با این حال، از قرن نوزدهم، پس از نوآوری در تغذیه گیاه، صنعتی کشاورزی در اطراف کودهای شیمیایی مصنوعی ایجاد شد. این تغییر در تحول سیستم غذایی جهانی اهمیت داشت و به کشاورزی صنعتی در مقیاس بزرگتر با عملکرد بالای محصول منجر شد.

انقلاب سبز

فرآیندهای شیمیایی تثبیت نیتروژن، مانند فرایند هابر که در آغاز قرن بیستم اختراع شد و با افزایش ظرفیت تولید در طول جنگ جهانی دوم افزایش یافت، به رونق استفاده از کودهای نیتروژنی منجر شد. در نیمه دوم قرن بیستم، افزایش استفاده از کودهای نیتروژنی (800 درصد افزایش بین سال‌های 1961 و 2019) جزء مهمی از افزایش بهره‌وری سیستم‌های غذایی متداول (بیش از 30 درصد سرانه) به عنوان بخشی از به اصطلاح «انقلاب سبز» بوده است.

اثرات زیست محیطی

استفاده از کودهای مصنوعی و صنعتی پیامدهای زیست‌محیطی مانند آلودگی آب و اوتریفیکاسیون به دلیل رواناب مغذی، انتشار کربن و سایر انتشارات از تولید کود و معدنکاری، و آلودگی و آلودگی خاک را به همراه داشته است. روش‌های مختلف کشاورزی پایدار می‌تواند برای کاهش اثرات نامطلوب زیست‌محیطی کود و آفت‌کش‌ها و آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از کشاورزی صنعتی اجرا شود.

ملاحظات میکروبیولوژیکی

دو مجموعه از واکنش‌های آنزیمی برای کارایی کودهای نیتروژنی بسیار مرتبط هستند. اولی هیدرولیز (واکنش با آب) اوره است. بسیاری از باکتری‌های خاک دارای آنزیم اوره آز هستند که تبدیل اوره به یون آمونیوم و یون بی‌کربنات را کاتالیز می‌کنند. باکتری‌های اکسیدکننده آمونیاک (AOB)، مانند گونه‌های نیتروسوموناس، آمونیاک را به نیتریت اکسید می‌کنند، فرآیندی که به آن نیتریفیکاسیون می‌گویند. باکتری‌های اکسیدکننده نیتریت، به‌ویژه نیتروباکتر، نیتریت را به نیترات اکسید می‌کنند که بسیار محلول و متحرک است و علت اصلی اوتریفیکاسیون و شکوفایی جلبکی است.

کودهای تک مغذی

کودهای تک مغذی، کودهایی هستند که فقط یک ماده مغذی (مانند K، P یا N) را تامین می کنند. آمونیاک (NH3)، نیترات آمونیوم (NH4NO3) و اوره (CO(NH2)2) از مهم ترین کودهای تک مغذی نیتروژنی هستند. کودهای تک مغذی فسفاته شامل سوپرفسفات‌های ساده (SSP) و سوپرفسفات‌های سه‌گانه (TSP) می باشد. کود تک مغذی پتاسیمی مهم، کلرید پتاسیم (KCl) است.

کودهای چند مغذی

این کودها رایج هستند و شامل دو یا چند جزء مغذی هستند. کودهای دوتایی (NP، NK، PK) و کودهای NPK از این دسته می باشند. کودهای دو جزئی NP، هم نیتروژن و هم فسفر را به گیاهان می رسانند. فسفات مونوآمونیوم (MAP) و فسفات دی آمونیوم (DAP) از مهم ترین کودهای NP می باشند. کودهای NPK، کودهای سه جزئی هستند که نیتروژن، فسفر و پتاسیم را تأمین می‌کنند. دو نوع کود NPK وجود دارد: ترکیبی و مخلوط. کودهای NPK ترکیبی حاوی مواد شیمیایی پیوندی هستند، در حالی که کودهای NPK مخلوط مخلوطی فیزیکی از اجزای تک مغذی هستند.

امتیاز NPK سیستمی است که مقدار نیتروژن، فسفر و پتاسیم را در یک کود توصیف می‌کند. امتیازهای NPK از سه عدد جدا شده با خط فاصله (به عنوان مثال، 10-10-10 یا 16-4-8) تشکیل شده‌اند که محتوای شیمیایی کودها را توصیف می‌کنند. عدد اول نشان‌دهنده درصد نیتروژن در محصول است؛ عدد دوم، P2O5؛ و عدد سوم، K2O. کودها در واقع حاوی P2O5 یا K2O نیستند، اما این سیستم خلاصه‌ای متداول برای مقدار فسفر (P) یا پتاسیم (K) در یک کود است.

کودهای نیتروژنی

کودهای نیتروژنی از آمونیاک (NH3) تولیدشده توسط فرایند هابر-بوش ساخته می‌شوند. در این فرآیند پرمصرف انرژی، گاز طبیعی (CH4) معمولاً هیدروژن را تأمین می‌کند و نیتروژن (N2) از هوا گرفته می‌شود. این آمونیاک به عنوان ماده اولیه برای سایر کودهای نیتروژنی مانند نیترات آمونیوم بی‌آب (NH4NO3) و اوره (CO(NH2)2) استفاده می‌شود. نیترات سدیم (NaNO3) نیز در بیابان آتاکاما در شیلی یافت می‌شود و یکی از کودهای غنی از نیتروژن اولیه بود که استفاده می‌شد. هنوز هم برای کود استخراج می‌شود. نیترات‌ها همچنین از آمونیاک توسط فرایند اوستوالد تولید می‌شوند.

کودهای فسفاته

کودهای فسفاته از طریق استخراج از سنگ فسفات به دست می‌آیند که حاوی دو کانی اصلی حاوی فسفر، فلور آپاتیت Ca5(PO4)3F و هیدروکسی آپاتیت Ca5(PO4)3OH است. هر ساله میلیاردها کیلوگرم سنگ فسفات استخراج می‌شود، اما اندازه و کیفیت سنگ معدن باقیمانده در حال کاهش است. این کانی‌ها با استفاده از اسیدها به نمک‌های فسفاته محلول در آب تبدیل می‌شوند. تولید بالای اسید سولفوریک در درجه اول به دلیل این کاربرد است. در فرایند نیتروفسفات یا فرایند اودا (اختراع‌شده در سال 1927)، سنگ فسفات با محتوای فسفر تا 20 درصد با اسید نیتریک (HNO3) حل می‌شود تا مخلوطی از اسید فسفریک (H3PO4) و نیترات کلسیم (Ca(NO3)2) تولید شود. این مخلوط را می‌توان با یک کود پتاسیم ترکیب کرد تا کودی ترکیبی با سه ماده مغذی اصلی N، P و K به صورت به راحتی حل‌شونده تولید شود.

کودهای پتاسیمی

پتاس مخلوطی از کانی‌های پتاسیم است که برای ساخت کودهای پتاسیم (نماد شیمیایی: K) استفاده می‌شود. پتاس در آب محلول است، بنابراین تلاش اصلی در تولید این ماده مغذی از سنگ معدن شامل برخی مراحل تصفیه، مانند حذف کلرید سدیم (NaCl) (نمک معمولی) است. گاهی اوقات پتاس را به عنوان K2O، برای راحتی در توصیف محتوای پتاسیم، اشاره می‌کنند. در واقع، کودهای پتاس معمولاً کلرید پتاسیم، سولفات پتاسیم، کربنات پتاسیم یا نیترات پتاسیم هستند.

کودهای آلی

کودهای آلی، کودهایی با منشأ بیولوژیکی هستند که از مواد زنده یا قبلاً زنده به دست می‌آیند. کودهای آلی همچنین می‌توانند محصولات تجاری و اغلب بسته‌بندی‌شده‌ای را توصیف کنند که تلاش می‌کنند انتظارات و محدودیت‌های پذیرفته‌شده توسط کشاورزی ارگانیک و سیستم‌های باغبانی دوستدار محیط زیست را دنبال کنند که استفاده از کودها و آفت‌کش‌های مصنوعی را به میزان قابل توجهی محدود می‌کنند یا کاملاً از آن اجتناب می‌کنند.

مواد با منشأ آلی عبارتند از: ضایعات حیوانی، ضایعات گیاهی کشاورزی، جلبک دریایی، کمپوست و لجن فاضلاب تصفیه‌شده (بیوسالیدها). علاوه بر کودها، منابع حیوانی می‌توانند شامل محصولات حاصل از کشتار حیوانات باشند: پودر خون، پودر استخوان، پودر پر، پوست، سم و شاخ همه اجزای معمولی هستند. مواد آلی مشتق شده از صنعت مانند لجن فاضلاب ممکن است به دلیل عواملی از جمله آلاینده‌های باقیمانده تا ادراک عمومی، اجزای قابل قبولی از کشاورزی ارگانیک و باغبانی نباشند. از سوی دیگر، کودهای "ارگانیک" بازاریابی‌شده ممکن است شامل مواد آلی پردازش‌شده باشند زیرا این مواد جذابیت مصرف‌کننده دارند. صرف نظر از تعریف یا ترکیب، اکثر این محصولات حاوی مواد مغذی کمتر متمرکز هستند و مواد مغذی به راحتی قابل اندازه‌گیری نیستند.

مصرف کود

چین به بزرگترین تولیدکننده و مصرف‌کننده کودهای نیتروژنی تبدیل شده است، در حالی که آفریقا وابستگی کمی به کودهای نیتروژنی دارد. مواد معدنی کشاورزی و شیمیایی در استفاده صنعتی از کودها بسیار مهم هستند که ارزش آن تقریباً 200 میلیارد دلار است. نیتروژن تأثیر قابل‌توجهی در استفاده جهانی از مواد معدنی دارد که پس از آن پتاس و فسفات قرار دارند. تولید نیتروژن از دهه 1960 تاکنون به شدت افزایش یافته است.

برآوردهای محافظه‌کارانه گزارش می‌دهند که 30 تا 50 درصد از عملکرد محصول به کودهای تجاری طبیعی یا مصنوعی نسبت داده می‌شود. مصرف کود از میزان زمین‌های قابل کشت در ایالات متحده فراتر رفته است. داده‌ها در مورد مصرف کود در هر هکتار زمین قابل کشت در سال 2012 توسط بانک جهانی منتشر شده است. مصرف کل کود در اتحادیه اروپا 15.9 میلیون تن برای 105 میلیون هکتار زمین قابل کشت (یا 107 میلیون هکتار زمین قابل کشت بر اساس برآورد دیگر) است. این رقم برابر است با 151 کیلوگرم کود مصرفی در هر هکتار زمین قابل کشت به طور متوسط توسط کشورهای اتحادیه اروپا.

کودهای آزاد شده کند و کنترل شده

کود با آزادسازی کنترل‌شده (CRF) کودی دانه‌بندی‌شده است که به تدریج مواد مغذی را به خاک آزاد می‌کند (یعنی با دوره‌ای از آزادسازی کنترل‌شده). کود با آزادسازی کنترل‌شده همچنین به عنوان کود با دسترسی کنترل‌شده، کود با آزادسازی تأخیری، کود با آزادسازی اندازه‌گیری‌شده یا کود با تأثیر کند شناخته می‌شود. معمولاً CRF به کودهای نیتروژنی اشاره دارد. آزادسازی کند و کنترل‌شده فقط 0.15 درصد (562000 تن) از بازار کود (1995) را تشکیل می‌دهد.

مواد شیمیایی که بر جذب نیتروژن تأثیر می‌گذارند

مواد شیمیایی مختلفی برای افزایش کارایی کودهای نیتروژنی استفاده می‌شود. به این ترتیب کشاورزان می‌توانند اثرات آلودگی رواناب نیتروژن را محدود کنند. مهارکننده‌های نیتریفیکاسیون (که به عنوان تثبیت‌کننده‌های نیتروژن نیز شناخته می‌شوند) تبدیل آمونیاک به نیترات را که آنیونی است که بیشتر مستعد شستشو است، سرکوب می‌کنند. مهارکننده‌های اوره آز برای کند کردن تبدیل هیدرولیتیکی اوره به آمونیاک استفاده می‌شود که مستعد تبخیر و همچنین نیتریفیکاسیون است. تبدیل اوره به آمونیاک توسط آنزیم‌هایی به نام اوره آز کاتالیز می‌شود. یک مهارکننده محبوب اوره آز، N-(n-بوتیل) تیوفسفریک تری‌آمید (NBPT) است.

اثرات محیط زیستی

کود مصنوعی مورد استفاده در کشاورزی دارای پیامدهای زیست‌محیطی گسترده‌ای است. به گفته هیئت بین‌المللی تغییرات اقلیم (IPCC)، تولید این کودها و شیوه‌های مرتبط با استفاده از زمین، محرک‌های گرمایش جهانی هستند. استفاده از کود همچنین منجر به تعدادی از پیامدهای مستقیم زیست‌محیطی شده است: رواناب کشاورزی که منجر به اثرات پایین‌دستی مانند مناطق مرده اقیانوسی و آلودگی آبراه‌ها می‌شود، تخریب میکروبیوم خاک و تجمع سموم در اکوسیستم‌ها. تأثیرات غیرمستقیم زیست‌محیطی عبارتند از: اثرات زیست‌محیطی شکستگی هیدرولیکی برای گاز طبیعی مورد استفاده در فرایند هابر، رونق کشاورزی تا حدودی مسئول رشد سریع جمعیت انسان است و شیوه‌های کشاورزی صنعتی در مقیاس بزرگ با تخریب زیستگاه، فشار بر تنوع زیستی و از دست رفتن خاک کشاورزی مرتبط هستند.

کاهش مصرف هیدروژن و پایداری

اکثر کودها از هیدروژن کثیف ساخته می‌شوند. آمونیاک از گاز طبیعی و هوا تولید می‌شود. هزینه گاز طبیعی تقریباً 90 درصد از هزینه تولید آمونیاک را تشکیل می‌دهد. افزایش قیمت گازهای طبیعی در دهه گذشته، همراه با سایر عوامل مانند افزایش تقاضا، به افزایش قیمت کود کمک کرده است.

مقدار گازهای گلخانه‌ای دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن تولید شده در طول تولید و استفاده از کود نیتروژنی حدود 5 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای انسانی برآورد شده است. یک سوم در طول تولید و دو سوم در طول استفاده از کودها تولید می‌شود. کود نیتروژنی می‌تواند توسط باکتری‌های خاک به اکسید نیتروژن تبدیل شود، یک گاز گلخانه‌ای. انتشار اکسید نیتروژن توسط انسان‌ها، که بیشتر آن از کود است، بین سال‌های 2007 و 2016، 7 میلیون تن در سال برآورد شده است که با محدود کردن گرمایش جهانی به زیر 2 درجه سانتیگراد ناسازگار است.

با تغییر فرآیندها و روش‌ها، می‌توان برخی از این اثرات بر تغییرات اقلیمی انسانی را کاهش داد، اما نه همه آنها. انتشار متان از مزارع محصول (به‌ویژه شالیزارهای برنج) با استفاده از کودهای مبتنی بر آمونیوم افزایش می‌یابد. این انتشارات به تغییرات اقلیمی جهانی کمک می‌کند زیرا متان یک گاز گلخانه‌ای قوی است.