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Abordando os gases nitrogenados das terras de cultivo para baixo
npj Climate and Atmospheric Science volume 5, Número do artigo: 43 (2022) Citar este artigo
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Detalhes das métricas
O uso de fertilizantes nitrogenados na agricultura produz quantidades significativas de gases nitrogenados, incluindo amônia, óxido nítrico e óxido nitroso. Por meio de melhores práticas de gerenciamento de terras agrícolas, a emissão de gases nitrogenados pode ser reduzida ao mesmo tempo em que se realiza um ambiente de água limpa e uma agricultura inteligente para o clima. Neste artigo, primeiro fornecemos uma visão geral dos movimentos internacionais para reduzir as emissões de gases nitrogenados de terras agrícolas. Em seguida, resumimos o efeito das práticas de manejo agrícola na eficiência do uso de nitrogênio para várias culturas e avaliamos seu efeito nas emissões de gases nitrogenados. Os resultados indicaram a importância da implementação de práticas de manejo sustentável específicas do local para aumentar a eficiência do uso do nitrogênio e, assim, mitigar as emissões de gases nitrogenados. Também abordamos o impacto das atividades agrícolas nos ciclos de nitrogênio das terras agrícolas e destacamos a necessidade de realizar avaliações sistemáticas de trade-off com um escopo bem definido para maximizar os benefícios ambientais e manter os serviços ecossistêmicos. Por fim, propusemos três direções prioritárias, avançando em direção a uma agricultura de baixa emissão.
Na agricultura, o fornecimento de nitrogênio suficiente pode garantir a síntese de inúmeros compostos não protéicos que participam das ações fisiológicas e metabólicas das culturas, refletindo consequentemente no rendimento e na qualidade das culturas1. Em geral, a massa total de nitrogênio nos 15 cm superiores dos solos está entre 0,1% e 0,6% do peso do solo, variando entre 2.000 e 12.000 kg-N ha-1, dependendo dos tipos de sistemas de solo2. Apesar da importância da fertilização com nitrogênio para o cultivo, insumos impróprios ou excessivos de fertilizantes nitrogenados em terras agrícolas representariam impactos ambientais adversos. É sabido que as aplicações de fertilizantes são as principais fontes antropogênicas de emissões de gases nitrogenados, como amônia (NH3), óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O). A pesquisa indicou que as atividades agrícolas de fertilização e produção de gado são a maior fonte de NH3 (representando 80-90% das emissões antropogênicas globais3), os principais contribuintes para o NO troposférico (representando 10% disso4,5) e o maior fonte antropogênica de N2O (responsável por 60-70% disso5). Esses gases nitrogenados são componentes críticos na indução de mudanças em escala regional e/ou global nas condições atmosféricas, como a formação de névoa regional por NH3 e NO e o aquecimento global por N2O.
O NH3 é um poluente atmosférico predominante com uma ampla variedade de impactos adversos. Ele pode neutralizar uma grande porção de espécies ácidas, como SOx e NOx, para formar aerossóis contendo amônio. Esses aerossóis constituem os principais componentes do material particulado fino (PM2,5), que causa degradação da qualidade do ar e impactos adversos à saúde humana. De acordo com as estimativas de Lelieveld, et al.6, a contribuição das emissões de NH3 das atividades agrícolas globais para PM2,5 e mortalidade prematura associada é de aproximadamente 20%. Em 2014, as emissões globais de NH3 provenientes do uso de fertilizantes sintéticos com N e esterco foram de 12,3 e 3,8 Tg-N por ano, respectivamente7. Além disso, o NH3 eventualmente retorna aos solos e águas superficiais por meio de deposição úmida ou seca8 e, portanto, leva à acidificação, eutrofização e perda de biodiversidade dos ecossistemas naturais. Da mesma forma, o NO desempenha um papel importante na química atmosférica, pois pode catalisar a produção de ozônio troposférico e outros oxidantes fotoquímicos (por exemplo, ácido nítrico) na atmosfera. Estimou-se que as emissões globais de NO dos solos foram de 21 Tg-N por ano, com um erro de ± 4‒10 Tg-N por ano9. As quantidades de emissões de NO dos solos são geralmente baixas; no entanto, antes de ser convertido em nitrogênio inerte, quantidades significativas de N2O podem ser formadas em condições de campo2.
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>