Chương 9: sản xuất sử dụng phân bón và môi trường pptx

1.2 Vai trò của tiến bộ kỹ thuật trong công nghệ chế tạo phân bónSản xuất phân bón cũng bắt đầu gia tăng ở các quốc gia đang phát triển mà các vùng có nguồn tài nguyên to lớn về đá phosp

Chương 9

SẢN XUẤT, SỬ DỤNG PHÂN BÓN VÀ MÔI TRƯỜNG

Cán bộ biên sọan: Ngô Ngọc Hưng

1 TÌNH HÌNH TIÊU THỤ VÀ CÔNG NGHỆ PHÂN BÓN THẾ GIỚI

1.1 Tiêu thụ phân bón thế giới

Sự khám phá về tự nhiên của dinh dưỡng cây trồng đã sản sinh ra kỹ nghệ phân bón Sự khám phá các quặng mỏ lớn của kali và đá phosphate đã cung cấp nguyên liệu phân khoáng cần thiết Phân super lân đầu tiên được chế tạo vào năm 1940

Tiêu thụ phân bón trên thế giới tăng nhanh và đạt cao nhất vào năm 2000 với sản lượng

138 triệu tấn (Hình 9.1) Trong vài thập kỷ vừa qua, tỉ lệ lượng phân bón tiêu thụ trên thế giới chuyển dần từ quốc gia phát triển sang các quốc gia đang phát triển (hình 9.2)

Lý do chính của sự chuyển dịch này là do sự ban hành pháp chế hạn chế sử dụng phân hoá học ở nhiều quốc gia phát triển, và sự bùng nổ dân

số ở các nước đang phát triển

là nguyên nhân đưa đến sự gia tăng nhu cầu phân bón, đặc biệt là ở Châu Á

Hình 9.1 Tiêu thụ phân bón thế giới từ năm 1960 đến 2000

[IFA 2002].

Hình 9.2 Tỉ lệ tiêu thụ phân bón ngày càng gia tăng

ở các quốc gia đang phát triển [ IFA 2002]

1.2 Vai trò của tiến bộ kỹ thuật trong công nghệ chế tạo phân bón

Sản xuất phân bón cũng bắt đầu gia tăng ở các quốc gia đang phát triển mà các vùng có nguồn tài nguyên to lớn về đá phosphate như Bắc Phi và Trung Đông là nơi sản xuất phân lân chính trên thế giới

Sản xuất phân bón thế giới đã gia tăng hơn 4 lần kể từ năm 1930 đến 2000 và hiện nay đạt gần 140 triệu tấn/ năm Sự phát triển này không thể không kể đến vai trò của tiến bộ kỹ thuật Một thí dụ đơn giản về tiến bộ kỹ thuật là sản xuất phân bón ở dạng hạt Đầu tiên phân bón được chế tạo ở dạng bột, loại phân này có khuynh hướng đóng rắn lại trong không khí, điều này rất khó trong sử dụng Kỹ thuật tạo hạt thật sự không đơn giản Nó được phát triển hơn 50 năm qua và hiện nay vẫn đang được nghiên cứu cải tiến Phân bón dạng hạt giúp thuận lợi trong việc đóng gói, vận chuyển và bón rải ngoài đồng

Sự phát triển của kỹ thuật tự động, điện toán hoá, kỹ thuật điều khiển từ xa đã cách mạng hoá trong sản xuất phân bón, đặc biệt là trong các lĩnh vực an toàn, tiêu chuẩn môi trường và chất lượng sản phẩm

Kỹ nghệ phân bón tác động trên môi trường 2 lần : (1) các phát thải trong quá trình sản xuất và (2) sự thất thoát vào môi trường trong quá trình sử dụng Có một sự tiến bộ đáng kể trong 30 năm qua trong sản xuất phân bón, sự tiêu thụ năng lượng cho sản xuất phân bón hiện nay thấp hơn nhiều so với trước đây Sự giảm tiêu thụ năng lượng trong kỹ nghệ phân bón sẽ kèm theo sự giảm thiểu rất lớn lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính

Một đột phá lớn gần đây trong kỹ nghệ chế tạo phân đạm là giảm thấp tiêu thụ năng lượng Kỹ nghệ phân bón của Hoa kỳ vào năm 1983 tiêu thụ trung bình

42 triệu đơn vị nhiệt lượng trên một tấn ammonia tạo ra Đến năm 1996, sự tiêu thụ này là 38 Hiện nay các nhà máy công nghệ cao hoạt động chỉ với mức độ

là 30, mặc dù trong đó đã tiêu tốn năng lượng đáp ứng cho tiêu chuẩn môi trường để giảm phát thải vào không khí

và nguồn nước (hình 9.3)

Cải tiến kỹ thuật để nâng cao nồng

độ acid trong chế tạo acid phosphoric là vấn đề luôn được quan tâm Trước đây nồng độ này chỉ đạt 20-23%, trong khi hiện nay các acid phosphoric thương mại

có nồng độ là 45-50%

Hình 9.3 Sự giảm phát thải N và P vào môi trường

đất nước với sự giảm tiêu thụ năng lượng

[Ole H Lie, Nosrk Hydro, TFI, Septmber 1998]

2 SẢN XUẤT PHÂN BÓN VÀ MÔI TRƯỜNG

2.1 Kỹ nghệ phân đạm

Sản xuất ammonia

Kỹ thuật tổng hợp ammonia đầu tiên được phát triển ở Tây Âu, sử dụng điện hoặc khí đốt làm nhiên liệu Vào thời kỳ này, các nhiên liệu này chỉ có ở các quốc gia kỹ nghệ Sau đó, sự tiến bộ phát triển với khí hoá của dầu hoả Một phần trọng yếu của kỹ nghệ ammonia của các quốc gia kỹ nghệ là dựa vào dầu hoả

Sản xuất và sử dụng phân N hoá học là hiện tượng của cuối thế kỷ 20 Phân N hoá học có nhiều dạng, bao gồm NH3, (NH4)2SO4, NH4NO3, và urea Sản xuất phân N khởi đầu vào năm

1950 với lượng ít hơn 5 triệu tấn trên năm, mức độ sản xuất hiện nay vào khoảng 80 triệu tấn trên

năm Sử dụng phân bón có liên hệ chặt với sự tăng trưởng nhanh chóng của dân số Sự gia tăng này được ước đoán là sẽ tiếp tục trong thế kỷ 21 và hầu hết sự tăng trưởng sử dụng phân bón là từ các quốc gia đang phát triển

Sử dụng khí tự nhiên là một cải tiến có hiệu quả kinh tế cho các nhà máy chế tạo phân N (Hình 9.4) Hầu hết các nhà máy

từ giữa những năm 1960 được xây dựng để sử dụng khí tự nhiên Điều này cho phép nhiều quốc gia đang phát triển với khí đốt giá thành rất thấp, thường kết hợp với sản xuất dầu hoả, phát triển kỹ nghệ ammonia mà nó có thể cạnh tranh với các quốc gia phát triển

Tương tự, các quốc gia Tây Âu và Liên bang Xô viết củ

đã phát triển kỹ nghệ ammonia từ giữa những năm 1970 đến 1990,

mà tất cả đều dựa vào khí tự nhiên

Hình 9.4 Nhà máy sản xuất ammonia tại Hà Lan

[IFA, 1998]

Sản xuất ammonia tạo ra một lượng CO2 đáng kể , khí này góp phần làm nóng bầu khí quyển Nếu khí tự nhiên được sử dụng làm nguyên liệu, lượng CO2 đượctạo ra là khoảng 2,7 tấn /tấn đạm Nếu sử dụng than đá và dầu hoả thì lượng CO2 tạo ra sẽ cao hơn 25% Ngược lại, sản xuất urea chỉ cần khoảng 1,6 tấn CO2 trên 1 tấn đạm Mặc dù sự đóng góp CO2 do kỹ nghệ phân bón là tương đối nhỏ (0.1 –0.2%) Tuy nhiên về lâu dài của sản xuất phân bón, khí phát thải

CO2 càng được giữ ở mức thấp nhất càng tốt

Sản xuất acid nitric cho việc chế tạo phân nitrate amôn và nitrophospho đã tạo ra một lượng phát thải khí N2O, khí này có khả năng làm nóng bầu khí quyển hơn là CO2 Nó cũng được xem là chất gây tổn hại đến tầng ozone Mức độ phát thải có thể thay đổi từ 1 đến hơn 10 kg N2O trên tấn acid nitric 100% Sử dụng kỹ thuật để làm giảm khí thải này thì rất tốn kém Lượng N2O phát thải từ sản xuất phân bón được ước lượng là khoảng 6% của số lượng do con người tạo ra ,

so với 50% sinh ra từ xe cộ

Nitrogen oxide (NOx) cũng được phát thải từ các nhà máy chế tạo ammonia và acid nitric Chất khí này góp phần tạo nên mưa acid Ammonia được sử dụng làm chất khử để chuyển NOx

thành N2 là phương pháp hiệu quả làm giảm lượng NOx, hơn ½ triệu tấn ammonia được sử dụng hàng năm trong mục đích này

Sự dự trữ, đóng gói và vận chuyển ammonia và ammonium nitrate được quan tâm nhiều hơn Nếu không có những qui định kỹ thuật rõ ràng đối với các chất này sẽ đưa đến nhiều tổn hại môi trường

Sản xuất phân đạm

Phân N đầu tiên được đưa ra thị trường là phân nitrate natri, được khai thác từ quặng mỏ

tự nhiên ở Chi lê và được nhập vào Châu Âu và Hoa Kỳ từ những năm 1830 Kế đó là phân SA

Chất này đầu tiên có được từ sản phẩm phụ của kỹ nghệ than cốc, được phát triển để cung cấp khí đốt cho ánh sáng đèn đường phố và phục vụ trong kỹ nghệ thép ở Châu Âu và Hoa Kỳ vào thế kỷ 19

Rõ ràng là từ 1990, nếu không có kỹ nghệ cố định N khí quyển thì sẽ không đủ lương thực cho sự gia tăng dân số của các quốc gia kỹ nghệ Từ năm 1905, ý tưởng cho luồng không khí đi qua hồ quang điện được thực hiện thành công ở Na Uy để sản xuất acid nitric và nitrate calci Cũng trong thời gian này, phân cyanamide calci được sản xuất bằng cách phản ứng vôi với than cốc trong lò điện Tuy nhiên 2 phương pháp sản xuất này chẳng bao lâu thì bị lạc hậu khi xuất hiện kỹ nghệ tổng hợp ammonia từ N khí quyển và hydrocacbon Điều này đã cách mạng hoá kỹ nghệ phân N Nhà máy đầu tiên sử dụng qui trình này được bắt đầu hoạt động ở Đức năm 1913

Phân N được sản xuất đầu tiên-chủ yếu là SA, cyanamid calci và nitrate calci- chứa hàm lượng N rất thấp, chỉ trong khoảng 15-21% Tuy nhiên, mãi đến năm 1940, nitrate ammon được sản xuất có hàm lượng 34%N đã trở thành loại phân quan trọng Đến năm 1960, nó trở thành loại phân N hàng đầu

Hiện nay phân N phổ biến nhất và rẻ tiền nhất thế giới là phân urea Phân này chứa 46%N, nó có tính kinh tế khi vận chuyển đi xa hơn là loại phân có hàm lượng N thấp Phân urea được sản xuất bằng cách phản ứng ammonia với CO2, vì thế nó có thể tận dụng lượng lớn sản phẩm phụ CO2 được sản sinh từ nhà máy sản xuất ammonia Do đó, các nhà máy urea thường được thiết kế cùng với nhà máy sản xuất ammonia

Trong sản xuất ammonia, các chất xúc tác phải được thay thế trong mỗi vài năm Các chất xúc tác đã được sử dụng có thể chứa nhiều dạng oxid kim loại và nhiều chất hoá học khác, tuy nhiên hầu hết các chất này có thể được tái chế hoặc được sử dụng cho các mục đích khác

Hoạt động của con người đã tạo ra một lượng đạm khổng lồ trong các quyển của trái đất

sự cố định này bao gồm ba tiến trình khác nhau: 1) sản xuất trực tiếp NH3 và HNO3 cho sản xuất phân bón, 2) sản sinh gián tiếp của NO và N2O trong sự đốt của các nhà máy công nghiệp, 3) sự

cố định đạm sinh học trong hoạt động nông nghiệp

Sự tăng trưởng nhanh chóng của sử dụng phân bón trong 50 năm qua đã phát triển và nuôi sống 6,1 tỉ cư dân trên hành tinh hiện nay Cùng với thời gian này, dầu hoả như là nguồn nhiên liệu cho cố định N cũng đã được sử dụng với lượng khổng lồ Từ các hoạt động này, tổng lượng

cố định N nhân tạo hiện nay tương đương với lượng cố định N tự nhiên của toàn cầu và đây là vấn đề lớn cần được quan tâm

2.2 Kỹ nghệ phân lân

Công nghệ chế tạo phân lân có trước công nghệ tổng hợp ammonia ít nhất là 70 năm Vào thời kỳ đầu tiên, chế tạo phân lân thì rất đơn giản, nó bắt đầu với sử dụng xương động vật làm nguồn lân, thời kỳ sau đó là nghiền mịn đá phosphate, thêm acid sulfuric loãng vào để chuyển lân trong vật liệu này thành dạng hoà tan trong nước Sản phẩm được gọi tên là

“super lân” Phân này có mặt ngoài thị trường ở Anh vào năm 1843

Nhiều quặng mỏ đá phosphate được khám phá và khai thác (Hình 9.5) trên 50 năm qua Trung quốc trở thành quốc gia sản xuất phân lân đứng hàng thứ ba vào cuối thập kỷ thế kỷ 20 Có

3 quốc gia-Hoa Kỳ, Trung quốc và Morocco- chiếm 2/3 lượng lân cung cấp của thế giới Chỉ riêng Morocco đã cung cấp 1/3 thị trường đá phosphate của thế giới

Đầu tiên, phân super lân có hàm lượng rất thấp-16-20% P2O5

Để nâng cao hàm lượng P2O5, cần sử dụng acid phosphoric trong phản ứng hoá học Acid phosphoric bắt đầu được sản xuất

ở Châu Âu vào năm 1870 Sự phát triển rộng rãi kỹ nghệ acid phosphoric chỉ bắt đầu từ 1950 Phân lân loại thường - có hàm lượng lân thấp-được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho đến năm 1950 Phân triple super-phosphate chỉ được sản xuất sau này

Hình 9.5 Đá phosphate được khai thác tại Khouribga,

Morocco [IFA, 1998]

Càng ngày càng nhiều nhà máy cũ kỹ bị đóng cửa do vấn đề kinh tế hoặc môi trường, hoặc do các quặng mỏ lân và kali bị cạn kiệt Các vấn đề về cải thiện vùng đất bị ô nhiễm càng quan trọng

Sản xuất phân lân và mưa acid

Mưa acid được tạo ra do phát thải của các hợp chất lưu huỳnh Các khí này được tạo ra từ sản xuất acid sulfuric và phân lân Tuy nhiên, sử dụng nguyên liệu than đá và dầu hoả cho việc sản xuất ammonia cũng tạo ra khí thải này Mặc dù các chất khí gây mưa acid có thể bắt nguồn từ các nhà máy của khu kỹ nghệ (hình 9.6a), nó thường được gió mang vào khí quyển và di chuyển đến các vùng nông thôn các đó hàng trăm dặm

Mưa acid có thể gây nên những thay đổi có ý nghĩa trên hoá học đất, nước, từ đó nó ảnh hưởng trên thảm thực vật và thuỷ sinh vật nước ngọt

Sự gia tăng độ chua làm suy yếu các tiến trình sinh lý và sinh sản trên những loài cá đặc biệt nhạy cảm với nước nhiễm acid Các ảnh hưởng gián tiếp cũng tác động trên quần thể loài cá qua sự giảm tính đa dạng loài nhuyễn thể, và sự phát triển quá mức của rong, tảo

Hệ sinh thái trên cạn cũng bị ảnh hưởng, đặc biệt được lưu ý trên sự phát triển của rừng Một số rừng cây xanh được ghi nhận là bị gây hại bởi mưa acid (hình 9.6b) Ở mức độ ô nhiễm nhất định của SO2, NO và NO2 trong khí quyển, năng suất một số cây trồng bị giảm

Ảnh hưởng của mưa acid trên vùng biển thì không quan trọng vì biển có khả năng hoá giải hiệu quả các tác động của mưa acid

Hình 6a Chất khí gây mưa acid có thể bắt nguồn

từ các nhà máy của khu kỹ nghệ

Hình 6b Mưa acid gây hại rừng cây xanh ở

Slamba Poremba, Poland [C Martin, The

Environmental Picture Library].

Phần lớn các hợp chất khí lưu huỳnh được phát thải trong quá trình sản xuất phân bón có thể được thu hồi bằng hệ thống lọc Hiện nay đã có các qui định đối với các nhà máy chế tạo phân bón về nồng độ phát thải tối đa vào khí quyển, về hệ số chuyển hoá lưu huỳnh

Sản xuất phân lân và chất thải phophogypsum

Gypsum là chất khoáng mà nó cũng xuất hiện trong tự nhiên Trong chế tạo acid phosphoric, sản phẩm phụ phosphogypsum được tạo ra trong phản ứng của đá phosphate với acid sulfuric Thuật ngữ “phoshogypsum” được sử dụng chuyên biệt cho gypsum được tạo ra từ phản ứng của đá phosphate với acid, vì chất này lẫn tạp một lượng nhỏ của một số khoáng khác có trong đá phosphate Thành phần ô nhiễm trong phân lân thay đổi rất lớn với nguồn quặng mỏ Thí dụ, hàm lượng cadmium trong đá phosphate có thể thay đổi từ 0 đến 30 mg/kg P2O5

Khoảng 4-5 tấn phophogypsum được tạo ra cho mỗi tấn P2O5 qui về acid phosphoric Chất thải này gồm chủ yếu là CaSO4, một phần Fluor và một số nguyên tố khác như arsenic, nicken, cadmium, chì, radium và Al Như vậy sản xuất phân lân cũng đưa đến vấn đề môi trường qua thải bỏ phophogypsum

Trước đây các nhà máy chế tạo acid phosphoric thường được thiết lập ở các vùng ven biển để thải gypsum vào biển ở đây nó nhanh chóng hoà tan trong nước biển và vận chuyển đi theo triều Khi phosphogypsum được thải vào biển hoặc vùng cửa sông, sự tác động môi trường tuỳ thuộc rất lớn vào khoảng cách của nhà máy với dòng triều Trong trường hợp dòng triều yếu, chất thải phosphogypsum ảnh hưởng nghiêm trọng đến thuỷ sinh

Sản xuất phân lân và ô nhiễm phóng xạ

Lân khoáng có hoạt tính phóng xạ trong tự nhiên Đối với lân có nguồn gốc trầm tính, thành phần chính mà nó có là uranium, hàm lượng trong khoảng 0.005-0.02% Đối với lân có nguồn gốc phún xuất, thorium thường chiếm ưu thế hơn uranium Sản phẩm phân huỷ chính của uranium là radium (236Ra) Uranium trong lân khoáng sẽ phân bố trong sản phẩm acid phosphoric phụ phẩm phosphogypsum trong quá trình chế tạo Radium chủ yếu phân bố trong phụ phẩm gypsum vì hợp chất sulphate này không hoà tan

Hàm lượng uranium trong acid phosphoric trong khoảng 0.01 đến 0.26 g/l, thay đổi tuỳ vào nguồn lân khoáng, tiến trình chế biến và nồng độ acid Hàm lượng uranium trong phosphogypsum thay đổi từ 0.015 đến 0.03 g/kg

Công trình nghiên cứu ở Phần Lan cho thấy U-238 có chứa trong phân NPK góp phần khoảng 0.25% tổng lượng uranium tự nhiên xuất hiện trong tầng đất mặt 10 cm Tương tự, nghiên cứu ở Bỉ cho thấy Ra-226 ô nhiễm trong phân lân góp phần chỉ vào khoảng 0.25% của tổng lượng Ra-226 tự nhiên xuất hiện trong tầng đất mặt 20 cm khi bón 14 kg P/ha

Hiệu quả dài hạn của bón phân lân trên hoạt tính phóng xạ cũng được nghiên cứu ở Hoa

K Phân super lân được sản xuất từ đá phosphate ở Florida được bón với liều lượng 30 kgP/ha trong suốt 50 năm cho thấy hàm lượng U, Th, và Ra trong lá và hạt bắp, trong hạt và rơm lúa mì,

và hạt và rơm của đậu nành đã không khác biệt so với các lô không bón phân lân

2.3 Kỹ nghệ phân kali

Từ trước giũa thế kỷ 19, kali đã được ghi nhận là cần thiết trong nông nghiệp và tro gỗ là nguồn chính cung cấp kali Đến năm 1859, mỏ muối kali được khám phá tại Stassfurt, Đức Mỏ kali này và các mỏ khác ở Đức đã chiếm lĩnh thị trường thế giới trong thời gian 75 năm

Phân kali được chế tạo đầu tiên có hàm lượng K thấp, chỉ đạt không cao hơn 25% K2O Hiện nay phân KCl, là sản phẩm chính, chứa hàm lượng K2O là 60-62%

Hiện nay, nhiều mỏ K lớn được khám phá và khai thác ở nhiều quốc gia (Hình 9.7 và 9.8) Các nước đang phát triển chỉ chiếm 7-8% của sản xuất kali trên thế giới Hầu hết các nước này đều phải nhập khẩu kali cho nhu cầu phát triển nông nghiệp

Hình 9.7 Khai thác mỏ kali ở Esterhazy,

Sakatchewan Facility, Canada [IFA, 1998]

Hình 9.8 Tỉ lệ phân bố sản xuất kali trên thế giới [IFA, 1998]

3 SỬ DỤNG PHÂN BÓN VÀ MÔI TRƯỜNG

Sự can thiệp của con người trong chu trình của N trực tiếp ảnh hưởng độ phì nhiêu đất qua hoạt động bón phân ngoài ra còn đưa đến nhiều vấn đề đáng lo ngại Điều này bao gồm sự ô nhiễm NO3- trong nước ngầm từ các hoạt động nông nghiệp, sự phú dưỡng do N bị chảy tràn hoặc rửa trôi từ đất nông nghiệp, sự lắng tụ NO3- từ khí quyển, sự phá huỷ tầng zone bởi khí N2O, mưa acid chứa HNO3, sự thay đổi đa dạng loài do lắng tụ của N

3.1 Độ phì nhiêu đất

Thâm canh nông nghiệp được cho tác nhân là làm giảm độ phì nhiêu dài hạn của đất Sự thâm canh có thể làm cạn kiệt các nguyên tố mà nó không được bổ sung vào trong đất Đặc biệt

là thiếu kỹ năng thâm canh có thể gây ra phá huỷ cân bằng các tính chất lý, hoá và sinh học đất

mà đây là các thành phần của phì nhiêu đất

Sự lạm dụng hoặc sử dụng phân bón không đúng cách dĩ nhiên có thể tạo các ảnh hưởng bất lợi cho đất Đôi khi phân bón được cho là là không có hiệu quả Thí dụ, phân bón đôi khi bị

đổ lỗi gây mặn cho đất nơi kém thoát thuỷ và tưới thừa Tuy nhiên, đáp ứng phân bón đối với cây trồng sẽ giảm nếu sự bón phân không cân đối diễn ra nhiều lần và sự bón phân này không tương ứng với nhu cầu đất và cây Tương tự, sự không quan tâm bổ sung các nguyên tố trung lượng (Ca, Mg, S) và vi lượng cũng dẫn đến giảm đáp ứng đối với nguyên tố đại lượng

Một cách để đánh giá ảnh hưởng của phân bón trên phì nhiêu đất là thực hiện các thí nghiệm dài hạn, sử dụng phân bón chính xác cùng với biện pháp canh tác tốt nhất Thí nghiệm phân bón dài hạn được thực hiện lâu đời nhất trên thế giới là ở Rothamsted, Anh quốc Thí nghiệm ở đây cho thấy phân hoá học được sử dụng liên tục hơn 150 năm, đến nay đất trồng này tốt hơn bất kỳ so với trước đây Cây trồng được bón phân đầy đủ sẽ tạo ra hệ thống rễ nhiều hơn

và lượng dư thừa thực vật được phân huỷ sẽ góp phần cải thiện cấu trúc đất, hàm lượng hữu cơ và khả năng giữ nước, và do đó nó cải thiện độ phì nhiêu đất

3.2 Ô nhiễm nguồn nước

Ô nhiễm nitrate trong nguồn nước

Lượng phân hoá học được bón vào đất không được cây trồng hút hoàn toàn Một số lượng dưỡng chất được giữ lại trong đất và tiếp tục cung cấp cho cây trồng vụ sau Một số bị chảy tràn

do xói mòn hoặc rửa trôi do mưa lớn Một số bị mất vào khí quyển qua tiến trình khử nitrate và bốc thoát hơi ammonia Một số khác bị thấm vào nước ngầm

Dưỡng chất rửa trôi vào nước ngầm chủ yếu là N Thông thường, các hợp chất hoà tan lân nhanh chóng chuyển hoá thành dạng ít hoà tan do các tiến trình tự nhiên trong đất, và do đó nó không bị rửa trôi Kali liên kết với phần tử sét và nó cũng ít bị rửa trôi Kali chỉ bị rửa trôi trên đất cát, hoặc nơi có hàm lượng sét thấp, hoặc do bón thừa, tuy nhiên hàm lượng kali rửa trôi trong nước ngầm không có ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và không có ngưỡng giới hạn cho kali trong nước uống Sữa mẹ chứa nhiều kali hơn bất kỳ lượng kali có trong nước uống

Đạm trong phân bón phần lớn ở dạng NH4+ hoặc NO3- Khi bón phân, cây trồng sẽ sử dụng dạng N này cho sự sinh trưởng Tuy nhiên, một lượng có ý nghĩa sẽ bị rửa trôi khỏi đất nông nghiệp và đi vào nước ngầm hoặc sông, rạch và gây nên 2 vấn đề môi trường: gây độc của nitrate và sự phú dưỡng

Đạm ở dạng nitrate thì rất hoà tan và không chuyển thành dạng ít hoà tan Trong điều kiện thiếu thảm thực vật che phủ hoặc N được bón nhiều hơn khả năng hút thu của cây trồng, mưa sẽ rửa trôi nitrate xuống tầng bên dưới và thậm chí vào nguồn nước ngầm Thời gian và lượng bón cho một loại cây trồng cần được nghiên cứu kỷ, và dạng đạm hữu dụng từ nguồn khác cũng phải được lưu ý

Có nhiều biện pháp làm giảm thiểu sự rửa trôi nitrate Trong mọi trường hợp, sự hiện diện lớp phủ thực vật là cần thiết để giảm thiểu rửa trôi nitrate: Vùng đất bỏ hoá có tiềm năng rửa trôi nitrate lớn hơn vùng đất có lớp phủ thực vật

Nitrate vào cơ thể sẽ bị khử thành nitrite, nó làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu Nếu hàm lượng nitrate trong nước uống vượt ngưỡng cho phép, sức khoẻ có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng Sự ô nhiễm nitrate được ghi nhận gây nên hội chứng “blue baby syndrome” trên trẻ con, còn được gọi là hội chứng methaemoglobinaemia Có khoảng 3000 trường hợp ngộ độc nitrate được ghi nhận trên thế giới, hầu hết trong giai đoạn 1950 đến 1970, khi nước uống cho trẻ con được lấy từ giếng nước Rau dền và cà rốt có thể chứa hàm lượng nitrate cao, tuy nhiên chế biến thực phẩm cho trẻ con có thể loại trừ ảnh hưởng này

Nitrate trong nguồn nước cũng được qui kết là gây nên ung thư dạ dày, tuy nhiên Tổ chức Sức khoẻ Thế giới đã kết luận rằng “Không có chứng cớ về sự liên quan giữa ung thư dạ dày và nước uống… nhưng sự liên quan này không thể được loại trừ”

Sự phú dưỡng

Sự phú dưỡng có thể xuất hiện khi NO3- (hoặc PO43-) tích luỹ trong hồ, ao, sông, rạch gây

ra từ chảy tràn trong nông nghiệp, nước thải, chất tẩy có phosphate Các dưỡng chất này thúc đẩy tăng trưởng thực vật, tảo nở hoa, và đôi khi gây cá chết do cạn kiệt oxy Sự phú dưỡng có thể đưa đến tác động đáng kể trên toàn bộ hệ sinh thái thuỷ sinh.Một số loài tảo đặc biệt mà nó phát triển

ở những vùng sông hồ rộng lớn với ô nhiễm dưỡng chất, loài tảo này tiết ra trong nước những chất mà nó gây độc ở nồng độ thấp (hình 9.9)

Hình 9.9 Ảnh phóng đại của loài tảo roi (dinofla-gelates) có tên

Uroglena americana

(a), là thủ phạm tạo ra thuỷ triều đỏ của một vùng thuỷ vực rộng lớn (b)., São Paolo, Brazil [UNEP 2000]

Chất lân có thể đóng góp trong việc gây nên sự phú dưỡng của sông và hồ, và nitrate gây nên sự phú dưỡng của nước vùng ven biển Phú dưỡng là hiện tượng làm giàu dưỡng chất của lớp nước mặt đưa đến sự phát triển quá mức rong tảo và những loài thuỷ sinh không mong muốn khác và sự phát triển này đưa đến suy giảm chất lượng nguồn nước Nguồn dưỡng chất này không chỉ phát xuất từ nông nghiệp, nhưng nó cũng có thể bắt nguồn từ xói mòn và chảy tràn do mưa lớn

Nước trong ao, hồ thường có tiềm năng bị ảnh hưởng của sự phú dưỡng do sự giới hạn của thay đổi mới nguồn nước Thật vậy, sự kém thay đổi mới nguồn nước và điều kiện thiếu oxy

ở đáy hồ có khuynh hướng gây nên sự phát triển của tảo, bất luận là nguồn dưỡng chất bổ sung từ nông nghiệp hay các nguồn khác

Càng thâm canh trong nông nghiệp, càng gây nên vấn đề phú dưỡng có ý nghĩa Tuy nhiên có thể giảm thiểu sự xói mòn bằng kỹ thuật canh tác, trong số đó bao gồm các biện pháp duy trì lớp phủ thực vật, hạn chế cày xới, tủ rơm,…Hạn chế cày xới sẽ giảm chi phí lao động và năng lượng, duy trì ẩm độ và bảo tồn đất

3.3 Ô nhiễm khí quyển

Các khí thải nhà kính

Sự phát thải khí vào khí quyển hầu như liên quan với chất đạm, do tính chất chuyển hoá

tự nhiên của N trong đất N bị mất trong nông nghiệp không chỉ qua rửa trôi nhưng sự bốc thoát hơi ammonia và khử nitrate cũng đưa đến mất N Sự bón rải urea, đặc biệt là trên đất có vôi, và phương pháp bơm ammonia vào đất cũng đưa đến sự mất ammonia có ý nghĩa

Sự phát thải ammonia chủ yếu từ các trang trại gia súc Khoảng 40% chất N trong chăn nuôi được ước lượng là mất qua bốc thoát hơi ammonia

Khoảng 4.5 triệu tấn khí phát thải ammonia hàng năm được ước lượng từ phân N, mà lượng chất thải này đi vào đất theo nước mưa hoặc lắng tụ, tuy nhiên nó sẽ trải qua hàng loạt phản ứng hoá học làm chua đất và nước và gây ảnh hưởng xấu trên các hệ sinh thái

Sản phẩm của khử nitrate thường là khí N2, nó là chất trơ trong khí quyển Tuy nhiên, trong sản xuất lúa và đất ngập nước tự nhiên, metan được tạo ra từ sự phân huỷ các vật liệu hữu

cơ trong điều kiện yếm khí Đất lúa ngập nước được tính là đóng góp 30% của sự phát thải khí metan của toàn cầu Tuy nhiên lượng đóng góp trực tiếp do phân bón thì rất nhỏ Metan góp phần làm nóng toàn cầu Dưới điều kiện yếm khí chất hữu cơ có thể tạo nên metan; do lý do này mà sự bón phân chuồng vào đất lúa trong giai đoạn ngập là không được khuyến cáo

Ngược lại, qua hoạt động quang hợp của cây trồng, sử dụng phân bón góp phần lấy đi

CO2 từ khí quyển, do đó làm giảm tiềm năng làm nóng bầu khí quyển Tuy nhiên, một lượng lớn hơn của cacbon lại được trả lại vào khí quyển, càng nhiều dư thừa thực vật đưa đến nhiều chất hữu cơ trong đất và sự gia tăng chất hữu cơ này có thể được cải thiện qua bón phân

N 2 O và tầng ozone

Các hoạt động của con người và sinh học đưa đến nồng độ N2O trong khí quyển gia tăng

ở mức độ 0,25% mỗi năm Nồng độ N2O là 0.75 ppbv (part per billion of volume) ở Bắc bán cầu

mà nó cao hơn ở Nam bán cầu Điều này được giải thích là N2O dược tạo ra từ Bắc bán cầu cao hơn so với Nam bán cầu Phân tích mẫu tuyết của thời kỳ trước công nghiệp cho thấy hàm lượng

N2O là 285 ppbv và hàm lượng này tương đối ổn định trong suốt 2000 năm qua, và nó bắt đầu gia tăng vào khoảng năm 1700

Hiện nay tầng đối lưu ozone được xác định là bị tác động chiếu xạ gấp đôi so với thời kỳ trước công nghiệp và sự tác động chiếu xạ trên Nam bán cầu thì ít hơn Sự gia tăng phát thải NOx

từ sự đốt nhiên liệu dầu hoả của các nhà máy đã làm mỏng đi tầng ozone

Rừng nhiệt đới có lẽ là nguồn phát thải N2O vào khí quyển quan trọng nhất Tổng lượng

N2O phát thải được ước lượng là khoảng 4 triệu tấn N trên năm Nguồn N2O do con người tạo ra chủ yếu bắt nguồn từ nông nghiệp và công nghiệp như sản xuất acid adipic và acid nitric Theo khảo sát gần đây, sự phát thải N2O từ trồng trọt và bón phân N là có ý nghĩa trên toàn cầu Lượng phát thải này được ước lượng là khoảng 3.5 triệu tấn N trên năm Ngoài ra N2O cũng được phát thải từ rất nhiều nguồn khác, phần lớn là khó đánh giá như là từ đất của hệ sinh thái tự nhiên khác, sự đốt chất hữu cơ, sự thoát khí từ khai thác nước ngầm cho nước tưới và các tiến trình kỹ nghệ đặc biệt

Tiến trình chính làm mất N2O trong khí quyển là sự phân huỷ quang hoá do ánh sáng mặt trời (bước sóng 180-230 nm) trong tầng bình lưu và lượng mất được ước lượng là 12.3 triệu tấn

N trên năm

Bảng 9.1 trình bày sự ước lượng khí N2O phát thải trực tiếp hoặc gián tiếp từ việc bón phân N (phân hoá học hoặc phân chuồng) vào đất nông nghiệp, và từ đất trồng cây họ đậu với sự

cố định N sinh học Lượng N2O phát thải từ bón phân hoá học thì tương đương với phân chuồng Khoảng 40% lượng N2O phát thải là bắt nguồn từ Bắc và Trung Mỹ, Châu Âu và Liên bang Xô viết củ là nơi mà 20% dân số thế giới cư trú Nguồn phát thải N2O chiếm 40% của hàng năm là

từ các quốc gia Châu Á với 55% dân số thế giới cư trú

Phân N, có tầm quan trọng cho sản xuất nông nghiệp trên toàn cầu, được ước lượng là sẽ gia tăng trong tương lai Mặc dù sự tiêu thụ phân N ở các nước phát triển hầu như ổn định kể từ năm 1980, còn việc sử dụng phân N ở các nước đang phát triển đang tiếp tục gia tăng với mức 6-7% trên năm Tiêu thụ N của thế giới là vượt hơn 90 triệu tấn N ở năm 2000 Không may là phân

N không được sử dụng hiệu quả trong các hệ thống nông nghiệp, cây trồng hút thu ít khi vượt hơn 50% lượng phân N bón vào đất