מחזור הזרחן

מתוך אקו-ויקי, מקום מפגש בנושאי אקולוגיה, חברה וכלכלה.
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מחזור הזרחן בים

מחזור הזרחן (Phosphorus Cycle )הוא מחזור ביוגאוכימי של היסוד זרחן בטבע. מחזור הזרחן הוא מחזור חיוני עבור חלק ניכר מהיצורים החיים כולל האדם, ובנוסף מהווים זרם או מחזור חיוני לכלכלה האנושית. מחזורי הזרחן תוארו לראשונה על ידי האקולוג גונת'ר פולקה.

האדם משתמש בתהליכי כרייה של זרחן לשלל שימושיים תעשייה ובראשם הפקת דשן כימי שחיוני לקיום של חקלאות תעשייתית ותמיכה באוכלוסיית העולם. עם זאת במאמר גבולות פלנטריים משנת 2009 קובעים אקולוגים כי מחזור הזרחן (יחד עם מחזור החנקן) הוא אחד מתשעה הגבולות הקריטיים להמשך קיומה של הכלכלה האנושית, וכי הפגיעה במחזור זה מסכנת את האנושות. בכלכלה בת קיימא זרם זרחן השנתי שנכנס לאוקיינוסים לא יעלה על פי 10 מכמות הבלייה הטבעית של זרחן.

זרחן בטבע

זרחן הוא יסוד כימי אל-מתכתי שסמלו P. הוא רעיל וקל בערה. הזרחן כמעט ואינו מצוי בצורה יסוד טהור בטבע, אלא בצורת יוני זרחה הידועה גם בשמה הלועזי - פוספט Phosphate.

הצורה הנפוצה ביותר של זרחה (הנקראת orthophosphate) היא בעלת 4 אטומי חמצן - PO43-, צורה נפוצה מעט פחות היא HPO42-. זרחה או פוספטים הוא גם שמן של התרכובות המכילות יון זה. זהו בדרך-כלל הפירוש של המושג זרחה בשימוש יומיומי. בדרך-כלל מתייחס המושג למלחים של חומצה זרחתית, הנוצרים כשחומצה זו מגיבה עם בסיס או עם מתכת.

הזרחן במערכות ביולוגית

זרחן, בצורה של יוני זרחה, מהווה יסוד חיוני לבעלי חיים ולצמחים. הוא חלק ממולקולות ה-DNA, במולקולות שאוגרות אנרגיה (ATP ו-ADP). זרחן בצורה של פוספוליפידים ובחלק השומני של קרום התא. זרחן משמש גם כאבן בניין לחלקים בגוף של בעלי חיים כמו עצמות ושיניים.

האדם צורך יוני זרחה דרך המזון אותו הוא אוכל; הללו מצויים למכביר בבשר, בביצים, באגוזים, בזרעים שונים ובדגנים מלאים. מלחים המכילים יוני זרחה (והמכונים פוספטים) הינם מהמחצבים הנכרים ביותר בעולם, והם משמשים רבות בתעשייה ובחקלאות.

מחזור הזרחן בטבע

רוב הזרחן מופיע בטבע בצורה של פוספטים (זרחן אנ-אורגני) בתוך משקעים ימיים או בסלעים שמקורם במשקעים אלה. במשך הזמן, תהליכים גאולוגיים יכולים להרים את המשקעים הללו ליבשה ותהליכי סחף ושחיקה של סלעים על ידי רוח וגשם מפזרים אותם לתוך האדמה. צמחים קולטים זרחות מהאדמה. בעלי חיים צמחוניים יכולים לאכול חלק מהצמחים וחלק מבעלי חיים אלה נאכל על ידי אוכלי בשר. הזרחות חוזרות לקרקע לאחר המוות ופירוק הצמח או החיה, וכן בזמן מתן הפרשות. הזרחות יכולות להישטף חזרה לים באמצעות נחלים ונהרות, והם יכולים להשתלב שוב בתוך משקעים שיהפכו במשך הזמן לסלעים.

זרחן הוא אחד היסודות הנחוצים ביותר לצמחים ולכן לתהליך הייצור הראשוני ולחקלאות. מבין אותם יסודות, לחלק אין מצב גזי ולכן הם יכולים להתפשט רק דרך תרכובות אורגניות ומים ואינם יכולים לקיים מחזורים המשלבים מאגרים באטמוספירה ולנדוד באופן חופשי בה, כפי שמתקיים במחזורים אחרים כמו חמצן ובפחמן. זרחן הוא החשוב ביותר לצמחים מבין אותם יסודות שאין להם מצב גזי.

ככל שמערכת ביולוגית נמצאת בשלב יותר מפותח היא מנצלת את אנרגיית השמש ביעילות גדולה יותר ויכולה להקטין אנטרופיה, או לפזר אנרגיה באופן יותר יעיל. הסבר אפשרי לכך הוא שהדבר הוא ביטוי של החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה. במערכות ביולוגיות עשירות ו-ותיקות איבוד הזרחן מהקרקע הוא אפסי. במערכות ביולוגיות צעירות, כמו אלו המורכבות מגידולים חד-שנתיים, מתרחש איבוד מאסיבי של זרחן בקרקע.

מחזור הזרחן וכלכלה א-מחזורית

זרחן משמש בכלכלה האנושית במגוון צורות כמו גפרורים, חומרי נפץ, זיקוקים, ומשחת שיניים. עם זאת השימוש הנפוץ ביותר של זרחן בכלכלה הוא כמרכיב מרכזי בדשן כימי שכן הוא מזרז גדילה של צמחים ומהווה חומר חיוני. בדומה לאשלג הזרחן הוא יסוד כימי שקיים במולקולות רבות בצמחים (ובבעלי חיים) אין לו תחליף.

צריכת דשנים של חנקן, זרחן ואשלג ברחבי העולם בשנים 2002-2009.

בשנת 2002 נצרכו ברחבי העולם 33 מיליוני טונות של דשן זרחן (לעומת 86 מילוני טונות של דשן חנקן, ו-24 מיליוני טונות של דשן אשלג) עד 2009 הצריכה של דשן הזרחן עלתה ל-37 מיליוני טונות. [1]

בכלכלה הקיימת היום, כלכלה קפיטליסטית וקווית, מתקיימת חקלאות תעשייתית שמפיקה כמות גדולה יותר של מזון תוך שימוש נמוך יותר של כוח אדם ועם תשומות שונות כולל מיכון חקלאי רב יותר, שימוש גדול יותר בדלק ואנרגיה ושימוש גדול יותר בדשן כימי שכולל את הגדלת השימוש בכריית זרחן. כמו כן מוצרי חקלאות מגודלים במקום אחד, נצרכים במקום אחר והפסולת החקלאית מושלכת במקום שלישי. בכלכלה כזו כמויות גדולות של זרחן מוסעות באמצעות ניוד הצמחים והמזון ממקום למקום באופן קווי חד-כיווני. מכיוון שכך, ריכוז הזרחן בקרקע יורד באיזורים בהם צומחים הגידולים ועולה במקומות אליהם נשפכים השפכים. מכיוון שלזרחן אין מצב גזי, הוא לא יכול לנדוד דרך האטמוספירה ולאזן את הריכוז שלו. הזרחן נשאר בקרקע אליה מוזרמים השפכים או שהוא נשטף אל האוקיינוסים.

בעיות סביבתיות

לפיכך, מערכת כלכלית-חקלאית המסיעה גידולים ממקום למקום תלוייה בזרחן ממקורות חיצוניים. זרחן נכרה מתוך האדמה ומסונתז לדשנים כימיים המשמשים בחקלאות. הדרישות האנרגטיות של כרייה הם עצומות (כ-10% מצריכת האנרגיה העולמית) ולפיכך עלויות הכרייה צפויות לנסוק עם שיא תפוקת הנפט או כל מנגנון אחר של התייקרות אנרגטית. זו אחת הסיבות מדוע חקלאות שאינה מקיימת צפויה להתייקר עם התייקרות האנרגיה.

במאמר גבולות פלנטריים משנת 2009 קובעים אקולוגים כי מחזור הזרחן (יחד עם מחזור החנקן) הוא אחד מתשעה הגבולות הקריטיים להמשך קיומה של הכלכלה האנושית. בכלכלה בת קיימא זרם זרחן השנתי שנכנס לאוקיינוסים לא יעלה על פי 10 מכמות הבלייה הטבעית של זרחן. לפי המדענים ערך הסף של כניסת זרחן לאוקיינוסים עומד על כ-11 מיליוני טונות בשנה, בעוד שבשנת כתיבת המאמר נכנסו לאוקיינוסים 8.5 עד 9.5 מיליוני טונות בשנה.

קיימת טענה כי חציה של ערכי סף של זרימת זרחן אל האוקיינוסים היא גורם מכריע לאירועי אנוקסיה כלל עולמיים באוקיינוסים (ocean anoxic events -OAE) שיכולים להסביר הכחדות המונית שהתרחשו בעבר של בעלי חיים בים. (Handoh and Lenton 2003). מאמינים כי לולאת משוב בין זרחן, אנוקסיה ויצרנות ימית משפיעה על מצב החמצן באוקיינוסים.

מודלים מצביעים על כך שגידול ארוך טווח של 20% מעל קצב הבלייה הטבעית יכול להוביל לאנוקסיה של האוקיינוסים בעבר. (Handoh and Lenton 2003). אם נניח כי קצב הזרימה לפני המהפכה החקלאית עמד על כ-1.1 מיליון טונות בשנה, פרוש הדבר שנדרש רק 250 אלף טונות של זרחן בשנה כדי לגרום לאנוקסיה כזו. הכלכלה האנושית כיום כורה כ-20 מיליון טונות בשנה של זרחן, ומתוך כמות זו נשטפים כ-10.5 מיליון זרחן טונות אל האוקיינוסים. הגידול בזרחן הראקטיבי שמקורו בפעילות אנושית הוערך בשנת 2000 ב-9 מיליון טונות לשנה. (Mackenzie et al. 2002) למרות גידול מהותי בזרחן שמקורו בפעילות אנושית, עד פי 8 יחסית לזרימה הטבעית, לא ברור האם ואם כן מתי עלולה להתרחש אנוקסיה מעשה ידי אדם באוקיינוסים.[2]

אנוקסיה של כלל האוקיינוס כתוצאה מזרמים של זרחן תדרש לכ-1000 שנה עד 10,000 שנה של הזרמת זרחן בכמות גבוהה כך שגבול זה נחשב רחוק ובלתי סביר. מצד שני יש אי וודאות גבוהה במודלים של זרימת זרחן, ועלולה להתרחש אנוקסיה באיזורי מים רדודים ובמדפי יבשת, היכן שחלק גדול מהחיים הימיים נמצאים. לפיכך ממליצים המדענים על גבול הפקה של פי 10 יחסית לבלייה הטבעית. היות והיום הזרמת הפוספט עומדת על הפקה גבוה פי 8 לבלייה הטבעית, זהו אחד הגבולות הפלנטריים שהחציה שלהם עלולה להתרחש בקרוב. [3]

ניתן לקיים חקלאות ללא פוספטים ודשנים - חקלאות אורגנית כמו פרמקלצ'ר שמשתמשת בקומפוסט כדי לסגור מעגל ביוגאופיזי. חקלאות כזו לרוב דורשת יותר תשומות כח אדם, ויש לה פריון חקלאי נמוך יותר בהשוואה לחקלאות תעשייתית. מצד שני החקלאות התעשייתית תתייקר יותר ויותר ככל שתהליכים כמו סחף קרקע או שיא תפוקת הנפט יקשו על קיומה ביחס לחקלאות בת קיימא.

שיא תפוקת הזרחן

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב - שיא תפוקת הזרחן

היות והמקור העיקרי לזרחן בכלכלה האנושית הוא כרייה של זרחות, מדובר במשאב מתכלה. מספר חוקרים טוענים כי מאגרי הזרחן יתכלו בתוך 50-100 שנה ויגיעו לשיא תפוקת הזרחן (Peak Phosphrus), השנה בה תפוקת הזרחן השנתית תהיה הגבוה ביותר, כבר בשנת 2030. [1] לעומת זאת, טוען מרכז פיתוח הדשנים הבינלאומי, בדו"ח משנת 2010, כי מאגרי הזרחן יספיקו לכמה מאות שנים[2]

כמות הזרחות שנכרות מהקרקע עלתה מ-3 מיליון טונות (נפח) בשנת 1900, לכ-10 מיליוני טונות בשנת 1945. החל משנה זו חל גידול תלול וכמעט מונוטוני בכמות הזרחות שנכרו ובשנת 2010 כרו 181 מיליוני טונות של זרחות.[4] זו כמות גדולה פי 10 יחסית לכמות הזרחן שמופק ממחזורים ביולוגים, בעיקר מגללים של בעלי חיים.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

  1. ^ Cordell, Dana; Drangert, Jan-Olof; White, Stuart (May 2009). "The story of phosphorus: Global food security and food for thought". Global Environmental Change (Elsevier) 19 (2): 292–305. doi:10.1016/j.gloenvcha.2008.10.009
  2. ^ ifdc.org - IFDC Report Indicates Adequate Phosphorus Resources, sep-2010
חקלאות

רקע: ייצור ראשוני - מחזור הזרחן - מחזור החנקן - קרקע - ציידים לקטים - המהפכה החקלאית - המהפכה הירוקה - חקלאות תעשייתית - פריון חקלאי - שימושי קרקע - דשן - הומוס - צפיפות אוכלוסין פיזיולוגית - חקלאות בישראל

Contour buffer strips NRCS.jpg

אתגרי קיימות בחקלאות: בליית קרקע - מדבור - משבר המים העולמי - התחממות עולמית - חומרי הדברה - דשן כימי - שיא תפוקת הנפט - שיא תפוקת הזרחן - חקלאות כרות והבער - הנדסה גנטית - השפעות סביבתיות של מזון מהחי - ביטחון תזונתי - נעילה טכנולוגית

חקלאות בת קיימא: חקלאות בת קיימא - אגרואקולוגיה - פרמקלצ'ר - ביו אינטנסיב - טכנולוגיה נאותה - קומפוסט - שמירת זרעים - גידולים משולבים - סיעוף - יערנות חקלאית - קציר מי נגר - מזון אורגני - מזון מקומי - גינה קהילתית - חקלאות נתמכת קהילה - הקרן לביטחון תזונתי - תוכנית אב לחקלאות בת קיימא

ספרים וסרטים: התמוטטות - רובים חיידקים ופלדה - גבולות לצמיחה - תכנית ב' - עולם מלא, צלחות ריקות - מהפיכת הקנה הבודד - הסיוט של דרווין - מלך התירס - עתיד המזון - כוחה של קהילה