Pencemaran nitrogen dalam pertanian

Sejak berlakunya Revolusi Hijau, penggunaan baja nitrogen meningkat bagi tujuan menambah produktiviti dan meningkatkan pengeluaran makanan. Setiap makanan yang kita ambil pada hari ini -- ayam, epal, bayam, lobak, nasi -- kita memakan nitrogen. Tumbuhan, terutama sekali tanaman makanan tidak boleh hidup tanpa nitrogen yang tersedia dalam tanah. Kitaran nitrogen secara semulajadi membekalkan nitrogen dalam tanah untuk keperluan tanaman namun jumlah kedapatan nitrogen dalam tanah yang terhad menyebabkan petani tidak dapat menghasilkan pengeluaran yang tinggi; dan bekalan nitrogen dalam tanah akan kehabisan dengan tanaman secara intensif. Petani perlu menambah baja organik, menanam kekacang atau berpindah ke tanah yang lebih subur. Namun ketika lebih 100 tahun yang lalu, muncul inovasi teknikal yang mampu menghasilkan nitrogen sintetik dalam jumlah yang banyak dengan kos yang murah.

Penemuan penting oleh Fritz Haber dan Carl Bosch dari German menyelesaikan masalah bekalan nitrogen semulajadi yang terhad dan menjadikan industri tanaman makanan berkembang pesat dengan memulakan industri baja nitrogen.

Lebih dari 60 tahun petani di seluruh dunia telah menggunakan nitrogen sintetik dalam bentuk ammonium nitrat dan urea. Pada hari ini, 90% unsur nitrogen yang digunakan dalam pertanian makanan datang dari urea. Nitrogen berjaya meningkatkan hasil tanaman dalam tempoh beberapa dekad sejak diperkenalkan.

Rajah: Peningkatan penggunaan nitrogen dan hasil padi (Zhongxian Lu dan K.L. Heong)

Sisi gelap penggunaan baja nitrogen

Dalam usaha petani meningkatkan pengeluaran hasil, penggunaan baja berunsur nitrogen ditambah dengan banyak dan seringkali pertambahan unsur nitrogen diberi melebihi keperluan tanaman. Pembaziran ini menyebabkan pencemaran udara dan air yang memberi kesan buruk kepada kesihatan manusia. Secara ironinya, penggunaan baja nitrogen dilihat merosakkan tanah berbanding tujuan asalnya memperkayakan unsur nitrogen dalam tanah.

Info-graphic credit : Reducing Bay Pollution

Nitrogen runoff, larian permukaan nitrogen dari sumber pertanian (tanaman dan ternakan) merupakan sumber utama pencemaran nitrogen di dunia. Pencemaran nutrien yang reaktif ini menyebabkan pencemaran yang teruk; mencemarkan sumber air, menambah keasidan tanah dan air, mengurangkan habitat akuakultur, menambah persaingan tanaman dan rumpai dan menyebabkan masalah kesihatan yang serius.

Eutrofikasi merupakan masalah kehilangan oksigen terlarut dari sumber air seperti tasik, sungai mahupun laut yang diakibatkan oleh larian permukaan nitrogen ke dalam sumber air. Nitrogen akan menyebabkan pertumbuhan alga yang tinggi dan mengurangkan jumlah hidupan air seperti ikan kerana oksigen terlarut yang rendah. Air akan kelihatan berwarna hijau, merah atau perang akibat pertumbuhan alga meliputi permukaan air (gambar kanan).

Penggunaan baja nitrogen yang berlebihan turut mengakibatkan tanah menjadi berasid. Tanah berasid akan mengikat nutrien penting dan mengurangkan kedapatan nutrien dalam tanah. Tanah berasid tidak subur dan boleh menyebabkan keracunan ferum, mangan dan alumunium pada tanaman disamping mempunyai kandungan makro nutrien seperti fosforus dan mikro nutrien seperti kalsium yang rendah.

Namun begitu, petani akan terus menggunakan baja nitrogen yang berlebihan untuk meningkatkan pengeluaran kerana kebanyakan petani mengusahakan pertanian dalam keadaan margin keuntungan yang rendah -- menjadikan keperluan mendesak kepada mereka untuk menambah pengeluaran dan menggunakan sumber tanah sepanjang tahun.

Mengubah bentuk, menyesuaikan keadaan

Pertanian moden dan masyarakat pada hari ini bergantung sepenuhnya kepada baja berunsur nitrogen yang murah dan mudah didapati sebagai bahan utama untuk menambah sebanyak mungkin pengeluaran makanan. Namun begitu, perindustrian nitrogen sintetik ini datang dengan kos.

Suhu dan tekanan tinggi diperlukan bagi menukar N₂ kepada NH₃ menjadikannya industri dengan tenaga intensif. Pembuatan baja nitrogen sintetik menyumbang kepada 80 juta metrik tan pembebasan karbon dioksida setahun.

Separuh dari kegunaan baja berunsur nitrogen adalah untuk tanaman makanan haiwan. Haiwan ternakan akan mengembalikan nitrogen kepada tanah, di mana menyumbang kepada bentuk pencemaran lain -- kos kedua kepada baja nitrogen sintetik.

Nitrogen sintetik dihasilkan dari nitrogen yang reaktif - menjadikan baja ini mudah diserap oleh tanaman. Namun begitu, nitrogen reaktif sebenarnya tidak kekal setempat. Petani akan membaja tanaman dengan harapan tanaman mereka akan subur dan memberi hasil yang tinggi, tetapi di luar pengetahuan mereka nitrogen akan berinteraksi dengan sumber di sekeliling - karbon tanah, oksigen dan air. Inilah masalah utama dengan nitrogen yang reaktif - kebolehan untuk berinteraksi dan bergerak bebas yang mana akan mengakibatkan kesan buruk.

Secara anggaran, tanaman hanya akan menyerap 30 hingga 50% nitrogen dari tanah. Jika petani meletakkan 100 kg baja nitrogen kepada tanah sawah, hanya sekitar 30 - 50kg diserap oleh tanaman dan selebihnya hilang begitu sahaja.

Memperbaiki amalan pembajaan

Satu langkah yang baik untuk mengatasi masalah pembaziran unsur N: gunakan baja yang kurang secara efisien (cekap).

Petani mendapat bayaran berdasar tan, menjadikan hasil pertanian sebagai kuasa yang memandu pertanian moden. Kebanyakan penyelidik dan ahli agronomi bersetuju petani masih boleh mendapat hasil yang sama tanpa perlu meletakkan banyak baja seperti yang dilakukan pada hari ini. Namun begitu, tidak ramai petani yang sanggup. Kebanyakan petani menggunakan baja dalam bentuk insurans; lebih baik meletakkan banyak baja untuk mendapatkan hasil yang tinggi daripada mengalami kekurangan pendapatan akibat hasil yang rendah kerana baja yang kurang.

Cabaran utama ialah mencari jalan memenuhi keperluan nutrien tanaman untuk pengeluaran yang tinggi dan meminimumkan kehilangan nitrogen. Agak sukar untuk mencari petani yang benar-benar menggunakan nitrogen secara efisyen dan selamat. Ini kerana baja boleh didapati dengan murah dan  petani yang menggunakan baja nitrogen tanpa had akan mencemarkan alam sekitar dengan kesan yang ditanggung oleh generasi akan datang.

Saintis sentiasa memikirkan kaedah yang sesuai dan lestari bagi mengatasi masalah pencemaran nitrogen dari aktiviti pertanian. Di pihak petani, terdapat pelbagai kaedah yang boleh digunakan -- menanam tanaman kekacang atau penutup bumi merupakan satu kaedah yang berkesan bagi membekalkan nitrogen secara biologikal. Ekosistem yang semakin terancam memerlukan penyelesaian segera. Petani juga perlu menukar kepada amalan pertanian yang memelihara alam sekitar. Membuat kompos dan mengembalikan sisa ladang seperti sisa tanaman dan najis haiwan kepada tanah boleh meningkatkan bahan organik tanah. Petani masih mampu untuk meningkatkan hasil tanpa menggunakan baja kimia yang dibeli jika amalan pertanian ekologi diadaptasi dengan baik dan berterusan.