2.3 пахотные земли и питательные вещества

2.3.1 Прогнозы

Несмотря на то, что необходимо производить больше продовольствия, пригодные для сельскохозяйственной деятельности земли по своей природе ограничены примерно 20— 30% земной поверхности мира. Объем сельскохозяйственных угодий сокращается, и ощущается нехватка подходящих земель там, где они больше всего необходимы, т.е. вблизи населенных пунктов. Деградация почв является одним из основных факторов, обусловливающих это снижение, и, как правило, можно подразделить на две категории: смещение (ветровая и водная эрозия) и внутреннее химическое и физическое ухудшение почв (потеря питательных веществ и/или органических веществ, засоление, подкисление, загрязнение, уплотнение и заболачивание). Оценка общей природной и антропогенной деградации почв во всем мире сопряжена с трудностями, учитывая изменчивость определений, степени тяжести, сроков, классификации почв и т.д. Однако, по общему мнению, ее последствия привели к потере чистого первичного производства на больших площадях (Esch et al. 2017), ограничив тем самым рост пахотных и постоянно обрабатываемых земель до 13% в течение четырех десятилетий с начала 1960-х до конца 1990-х годов (Bruinsma 2003). Что еще более важно в связи с ростом населения за этот период, пахотные земли на душу населения сократились примерно на 40% (Conforti 2011). Термин «пахотные земли» подразумевает наличие адекватных питательных веществ для поддержки растениеводства. Для противодействия истощению питательных веществ общемировое потребление удобрений выросло с 90 кг/га в 2002 году до 135 кг в 2013 году (Pocketbook 2015). Тем не менее более широкое использование удобрений часто приводит к избыточному содержанию нитратов и фосфатов в водных экосистемах (Bennett et al. 2001), что приводит к цветению водорослей и эвтрофикации, когда гниющая биомасса водорослей потребляет кислород и ограничивает биоразнообразие водной жизни. Крупномасштабные изменения окружающей среды, вызванные нитратами и фосфатами, особенно заметны в водосборных бассейнах и прибрежных зонах.

Азот, калий и фосфор являются тремя основными питательными веществами, необходимыми для роста растений. Несмотря на то, что спрос на фосфорные удобрения продолжает расти экспоненциально, запасы фосфатов породы ограничены, и, по оценкам, они будут истощены в течение 50—100 лет (Cordell et al. 2011; Steen 1998; Van Vuuren et al. 2010). Кроме того, антропогенное поступление азота, как ожидается, приведет экосистемы суши к более высоким ограничениям в отношении фосфора, хотя решающее значение имеет лучшее понимание процессов (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). В настоящее время в сельском хозяйстве нет заменителей фосфора, что ограничивает будущую производительность сельского хозяйства, которая опирается на основные поступления удобрений добытого фосфата (Sverdrup and Ragnarsdottir 2011). «P-парадокс», другими словами, избыток P, ухудшающий качество воды, наряду с его дефицитом в качестве истощающего невозобновляемого ресурса, означает, что необходимо существенно увеличить рециркуляцию и эффективность его использования (Leinweber et al. 2018).

Современные интенсивные методы ведения сельского хозяйства, такие, как частота и сроки обработки почвы или без обработки почвы, применение гербицидов и пестицидов, а также нечастое добавление органического вещества, содержащего микроэлементы, могут изменить структуру почвы и ее микробное биоразнообразие таким образом, что добавление удобрений больше не допускается. повышает урожайность на гектар. Учитывая, что изменения в землепользовании привели к потерям почвенного органического углерода, по оценкам, около 8%, а прогнозируемые потери в период с 2010 по 2050 год в 3,5 раза превышают этот показатель, предполагается, что водоудерживающая способность почвы и потери питательных веществ сохранится, особенно с учетом глобального потепления (Esch et al. 2017) . Очевидно, что есть компромисс между удовлетворением потребностей человека и не подрывом способности биосферы поддерживать жизнь (Foley et al. 2005). Вместе с тем при моделировании границ планет в связи с нынешней практикой землепользования становится очевидным, что необходимо совершенствовать циклы N и P, главным образом путем сокращения выбросов азота и фосфора и стока с сельскохозяйственных угодий, а также путем более эффективного улавливания и повторного использования (Conijn et al. 2018).

2.3.2 Аквапоника и питательные вещества

Одним из главных преимуществ аквапоники является то, что она позволяет перерабатывать питательные ресурсы. Вклад питательных веществ в рыбный компонент формируется из кормов, состав которых зависит от вида, в то время как корм в аквакультуре, как правило, составляет значительную долю затрат на вводимые ресурсы и может составлять более половины от общей годовой стоимости производства. В некоторых моделях аквапоники бактериальная биомасса также может использоваться в качестве корма, например, в тех случаях, когда производство биофлока делает аквапонные системы все более автономными (Pinho et al. 2017).

Сточные воды из открытых ручек или дорожек качения часто сбрасываются в водоемы, что приводит к загрязнению питательными веществами и последующей эвтрофикации. В отличие от этого, аквапонные системы принимают растворенные питательные вещества из несъеденных кормов и фекалий и используют микробы, которые могут разрушать органическое вещество, превращать азот и фосфор в биодоступные формы для использования растениями в гидропонике. Для достижения экономически приемлемых уровней производства растений наличие соответствующих микробных агрегатов уменьшает необходимость добавления значительной части дополнительных питательных веществ, которые обычно используются в автономных гидропонных установках. Таким образом, аквапоника представляет собой почти нулевую систему сброса, которая обеспечивает не только экономическую выгоду от потоков как рыбы, так и растений, но и значительное сокращение как вредных для окружающей среды выбросов из аквакультуры. Это также устраняет проблему стока с содержанием азота и P из удобрений, используемых в земледелии на почве. В развязанных аквапонных системах аэробные или анаэробные биореакторы могут также использоваться для обработки осадка и восстановления значительных макро- и микроэлементов в биодоступных формах для последующего использования в гидропонном производстве (Goddek et al. 2018) (см. Chap. 8). Захватывающие новые разработки, подобные этим, многие из которых в настоящее время реализуются в коммерческих целях, продолжают совершенствовать концепцию «циркулярной экономики», расширяя возможности восстановления питательных веществ.