Nitrate accumulation in soil profile of different agricultural systems: Magnitude, drivers, and environmental implications

द दशकों से, किसान दुनिया की बढ़ती आबादी को खिलाने के लिए नाइट्रोजन उर्वरक पर निर्भर रहे हैं। यह पोषक तत्व पौधों के विकास के लिए आवश्यक है, जो प्राथमिक ईंधन के रूप में कार्य करता है जो सूर्य के प्रकाश और पानी को फसलों में बदल देता है। हालाँकि, प्रकृति की एक सीमा है कि वह एक बार में कितना अवशोषित कर सकती है। जब पौधों द्वारा उपयोग किए जाने वाले स्तर से अधिक उर्वरक लगाया जाता है, तो अतिरिक्त पदार्थ केवल गायब नहीं हो जाता। इसके बजाय, यह नाइट्रेट में बदल जाता है, जो नाइट्रोजन का एक अत्यधिक घुलनशील रूप है जो एक धारा में डाली गई डाई (रंग) की तरह व्यवहार करता है। क्योंकि यह पानी में बहुत आसानी से घुल जाता है, इसलिए यह अतिरिक्त नाइट्रेट मिट्टी के नीचे नीचे की ओर यात्रा करता है, जिसे बारिश और सिंचाई द्वारा ले जाया जाता है, और अक्सर उन पौधों की जड़ों से आगे निकल जाता है जिन्हें इसे खिलाना था। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों और नीति निर्माताओं ने अपना ध्यान मिट्टी की ऊपरी परतों पर केंद्रित किया, यह मानते हुए कि यदि सतह का प्रबंधन अच्छी तरह से किया गया, तो गहरा हिस्सा सुरक्षित रहेगा। वे नदियों को प्रदूषित करने वाले अपवाह (रनऑफ) या हवा में नाइट्रोजन के निकलने को लेकर चिंतित थे, लेकिन जमीन के नीचे गहराई में नाइट्रेट का मौन, धीमा प्रवास काफी हद तक अदृश्य बना रहा।

यह छिपा हुआ संचलन महत्वपूर्ण है क्योंकि हमारे पैरों के नीचे की जमीन एक विशाल, धीमी गति से चलने वाले जलाशय के रूप में कार्य करती है। यदि सतह के काफी नीचे नाइट्रेट जमा होता है, तो यह दशकों तक वहां रह सकता है, पौधों द्वारा अछूता और प्राकृतिक रूप से टूटने में असमर्थ। अंततः, यह जमा हुआ रसायन भूजल में रिस सकता है, जो अरबों लोगों के लिए पीने के पानी का स्रोत है, या झीलों और महासागरों में बह सकता है, जिससे हानिकारक शैवाल प्रस्फुटन (अल्गल ब्लूम) होता है। सवाल अब केवल यह नहीं है कि कितना उर्वरक उपयोग किया जाता है, बल्कि यह है कि उस अप्रयुक्त उर्वरक का अंत कहाँ होता है और वह वहां कितने समय तक रहता है। इस गहराई और पैमाने के संचय को समझना महत्वपूर्ण है, क्योंकि एक गहरे भूमिगत जलाशय को साफ करना सतह के रिसाव को ठीक करने की तुलना में कहीं अधिक कठिन है।

नॉर्थवेस्ट ए एंड एफ यूनिवर्सिटी, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस भूमिगत समस्या पर वैश्विक दृष्टिकोण अपनाया है। उन्होंने किसी एक स्थान में नए क्षेत्रीय प्रयोग नहीं किए; इसके बजाय, उन्होंने दुनिया भर में किए गए 101 विभिन्न अध्ययनों से डेटा एकत्र किया और उसका विश्लेषण किया। इन अध्ययनों में तीन प्रमुख प्रकार की खेती शामिल थी: अनाज की फसलें जैसे गेहूं और मक्का, सब्जी उद्यान, और फल उद्यान (ऑर्चर्ड)। शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से उन मृदा प्रोफाइल्स (मिट्टी की परतों) पर ध्यान केंद्रित किया जो सतह से दस मीटर की गहराई तक विस्तृत थे, जो अधिकांश फसलों की जड़ों की तुलना में बहुत अधिक गहरा है। उनका लक्ष्य यह मानचित्रित करना था कि कितनी मात्रा में नाइट्रेट इन गहरी परतों में छिपा हुआ है, यह कैसे वितरित है, और कौन से कारक इसे वहां नीचे धकेल रहे हैं।

परिणाम एक छिपे हुए रासायनिक भंडारण के परिदृश्य को प्रकट करते हैं जो पहले की तुलना में कहीं अधिक व्यापक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नाइट्रेट केवल एक सतही मुद्दा नहीं है; यह गहरी मिट्टी की एक विरासत (लेगेसी) है। उनके द्वारा अध्ययन किए गए सभी कृषि प्रणालियों में, रूटिंग ज़ोन (जड़ों के क्षेत्र) के बहुत नीचे पर्याप्त मात्रा में नाइट्रेट पाया गया। वास्तव में, ऊपरी चार मीटर की मिट्टी में नाइट्रेट की औसत मात्रा लगभग 3,000 किलोग्राम प्रति हेक्टेयर थी, जिसमें चार से आठ मीटर की गहराई के बीच अतिरिक्त 1,400 किलोग्राम प्रति हेक्टेयर स्थित था। इसका अर्थ है कि वर्षों से लगाए गए उर्वरक का एक महत्वपूर्ण हिस्सा तुरंत हवा या पानी में नष्ट नहीं हुआ है, बल्कि इसके बजाय मिट्टी में जम गया है, जो बाहर निकलने की प्रतीक्षा कर रहा है।

किस प्रकार के खेत ने यह निर्धारित करने में निर्णायक भूमिका निभाई कि कितना नाइट्रेट जमा हुआ और वह कितना गहरा गया। फल उद्यानों (ऑर्चर्ड), जहाँ फल देने वाले पेड़ उगाए जाते हैं, में सबसे नाटकीय संचय देखा गया। इन प्रणालियों में, नाइट्रेट के पूल सबसे बड़े और सबसे गहरे थे, जहाँ कुछ बागों में अकेले ऊपरी चार मीटर में 7,000 किलोग्राम से अधिक नाइट्रेट मौजूद था। बागों में नाइट्रेट आमतौर पर दो से चार मीटर की गहराई के बीच सबसे अधिक जमा होता था, जो पेड़ों की जड़ों के सामान्य विस्तार से काफी नीचे है। सब्जी फार्मों ने एक अलग पैटर्न दिखाया। उनमें सतह के पास नाइट्रेट का उच्च स्तर था, संभवतः इसलिए क्योंकि सब्जियां अक्सर भारी उर्वरक अनुप्रयोगों के साथ उगाई जाती हैं, लेकिन वे बागों की तरह गहराई में उतना संचय नहीं कर पाए। अनाज की फसलें, जैसे गेहूं और मक्का, में सभी गहराइयों में संचय का स्तर आम तौर पर सबसे कम था, हालांकि वे अभी भी मिट्टी में महत्वपूर्ण मात्रा बनाए हुए थे।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि उर्वरक की मात्रा ही एकमात्र चालक नहीं थी; यह संबंध एक सरल सीधी रेखा नहीं था। उन्होंने एक विशिष्ट 'टिपिंग पॉइंट' (निर्णायक बिंदु) पाया। जब नाइट्रोजन का इनपुट 200 किलोग्राम प्रति हेक्टेयर से कम रहा, तो नाइट्रेट का संचय अपेक्षाकृत कम रहा। हालाँकि, एक बार जब अनुप्रयोग दर इस सीमा से ऊपर निकल गई, तो मिट्टी में संग्रहित नाइट्रेट की मात्रा, विशेष रूप से गहरी परतों में, तेजी से बढ़ गई। यह सुझाव देता है कि एक महत्वपूर्ण सीमा है कि एक कृषि प्रणाली कितनी नाइट्रोजन को संभाल सकती है, इससे पहले कि अतिरिक्त नाइट्रोजन गहरे मिट्टी के प्रोफाइल को प्रभावित करने लगे।

वर्षा, या अधिक विशेष रूप से किसी क्षेत्र में प्रति वर्ष होने वाली औसत वर्षा, इस प्रक्रिया के एक जटिल नियामक के रूप में कार्य करती है। अध्ययन ने दिखाया कि मध्यम वर्षा, जो प्रति वर्ष 400 से 600 मिलीमीटर के बीच होती है, नाइट्रेट को दो-से-चार-मीटर की परत में नीचे जाने और बैठने के लिए प्रोत्साहित करती प्रतीत होती है। यह नाइट्रेट को जड़ों से आगे धकेलने के लिए पर्याप्त पानी था, लेकिन इतना भी नहीं कि सब कुछ तुरंत बह जाए। इसके विपरीत, उन क्षेत्रों में जहाँ अत्यधिक वर्षा, यानी 600 मिलीमीटर से अधिक होती है, नाइट्रेट का गहरा भंडारण वास्तव में कम हो गया। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए है क्योंकि भारी बारिश नाइट्रेट को इतनी अच्छी तरह से बहा देती है कि वह दस मीटर की गहराई को पार कर जाता है, जो संभवतः सीधे भूजल स्तर तक पहुँच जाता है। यह इंगित करता है कि गीले जलवायु वाले क्षेत्रों में, जोखिम केवल गहरा भंडारण नहीं है, बल्कि जल आपूर्ति का तत्काल प्रदूषण भी है।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक क्षेत्रीय अंतर था, विशेष रूप से चीन में। डेटा ने दिखाया कि चीनी कृषि प्रणालियों में मृदा नाइट्रेट संचय वैश्विक औसत की तुलना में काफी अधिक था। चीनी बागों में, ऊपरी चार मीटर में संग्रहित नाइट्रेट अन्य देशों के बागों की तुलना में तीस गुना अधिक था, जबकि उर्वरक इनपुट केवल दो या तीन गुना अधिक था। यह सुझाव देता है कि केवल उर्वरक की मात्रा के अलावा अन्य कारक—शायद उस क्षेत्र में भूमि उपयोग का विशिष्ट इतिहास, मिट्टी के प्रकार, या सिंचाई प्रथाएं—एक अनूठा वातावरण बना रहे हैं जो नाइट्रेट के संचय में सहायक है।

यह अध्ययन इस विचार को चुनौती देता है कि नाइट्रोजन प्रबंधन केवल वर्तमान फसल सीजन के बारे में है। मिट्टी में पाया गया नाइट्रेट पिछली कृषि पद्धतियों की एक "विरासत" का प्रतिनिधित्व करता है। यह प्रदूषण का एक ऐसा भंडार है जो वर्षों या दशकों पहले बनाया गया था। क्योंकि यह नाइट्रेट ऑक्सीजन युक्त गहरी मिट्टी में संग्रहीत है जहाँ यह आसानी से टूट नहीं सकता, यह बहुत लंबे समय तक बना रह सकता है। यह एक विलंबित खतरा पैदा करता: भले ही कोई किसान आज अतिरिक्त उर्वरक का उपयोग बंद कर दे, फिर भी गहराई में बैठे नाइट्रेट का नीचे की ओर बढ़ना जारी रहेगा, जो वर्षों तक जल स्रोतों को प्रदूषित कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इस समस्या को हल करने के लिए भूमि और जल के प्रबंधन के प्रति एक नए दृष्टिकोण की आवश्यकता है। केवल उर्वरक के उपयोग को कम करना आवश्यक है, लेकिन यह जमीन के नीचे गहराई में पहले से मौजूद नाइट्रेट के प्रवाह को रोकने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है। रणनीतियों को मिट्टी की गहराई और खेत की विशिष्ट स्थितियों, जैसे कि फसल का प्रकार और स्थानीय वर्षा को ध्यान में रखना चाहिए। बागों के लिए, जिन्होंने नाइट्रेट के सबसे गहरे और सबसे बड़े पूल दिखाए, इस विरासत को प्रदूषण के स्थायी स्रोत में बदलने से रोकने के लिए विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि हमारे जल और पारिस्थितिकी तंत्र की रक्षा करने के लिए, हमें सतह से परे देखना होगा और हमारे पैरों के नीचे छिपे अदृश्य जलाशयों का प्रबंधन करना होगा।