Mänsklig produktion av fixerat kväve, används mest för att gödsla grödor, står nu för ungefär hälften av det totala fixerade kväve som tillförs jorden både på land och i haven, enligt en ny studie av forskare vid North Carolina State University och Duke University.

Människans produktion av detta kväve är nu fem gånger högre än för 60 år sedan. Denna ökning kan utgöra en lika stor fara för jordens miljö som den snabba ökningen av klimatuppvärmande koldioxid i atmosfären, säger forskarna.

"Jorden har aldrig sett så mycket fixerat kväve, " säger William H. Schlesinger, James B. Duke emeritus professor i biogeokemi vid Duke's Nicholas School of the Environment.

"Det är en enorm ökning under det senaste halvseklet, vilket inte var vad vi förväntade oss att hitta, " säger William Battye, en luftkvalitetsforskare vid NC State som ledde studien

"Medan kol har fångat världens uppmärksamhet genom klimatförändringarna, vi kan inte ignorera denna fråga, " tillägger Viney Aneja, professor i marina, jord- och atmosfärsvetenskap vid NC State. "För mycket kväve kan påverka människors hälsa, minska den biologiska mångfalden och förstärka den globala uppvärmningen."

För mycket kväve i marken gynnar ett begränsat antal arter som kan konkurrera ut inhemska arter, minska den biologiska mångfalden, Aneja konstaterar. Höga nivåer av kväve i grundvattnet är förknippade med tarmcancer och missfall, och kan vara dödlig för spädbarn. Överskott av kväveföreningar i vattendrag och sjöar kan orsaka giftiga algblomningar, döda vattenlevande arter och hota människors hälsa.

En form av kvävgas, lustgas, är också en potent växthusgas och kan bidra till den globala uppvärmningen. Höga halter av dikväveoxid i atmosfären bryter också ned det atmosfäriska ozonskiktet, och kväveoxid kan skapa farligt marknära ozon.

Människor har använt kväveföreningar som gödningsmedel i årtusenden, men historiskt sett endast använt naturligt fasta källor, som gödsel och guano. I början av 1900-talet, Tyska kemister Fritz Haber och Carl Bosch upptäckte en process som omvandlar atmosfäriskt kväve till ammoniak, gör det möjligt för människor att producera kvävebaserade gödselmedel i industriell skala för första gången.

Vid 1960, mer än 60 procent av gårdarna i USA rapporterade att de använde kemisk gödning och den genomsnittliga kväveanvändningen var 17 pund per acre.

Under 2007, Amerikanska gårdar använde i genomsnitt 82,5 pund kväve per hektar, enligt U.S. Environmental Protection Agency.

För att genomföra sin nya studie, forskarna kombinerade historiska data om gödselmedelsanvändning i jordbruket med nya uppskattningar av kvävefixeringshastigheter för att analysera trender i mänsklig produktion av fixerat kväve sedan början av 1900-talet. De placerade sedan dessa trender i ett sammanhang med nya uppskattningar av naturlig kvävefixering och denitrifikationshastigheter på land och i vatten.

Deras analys visade att mänsklig produktion av reaktivt kväve har ökat nästan femfaldigt under det senaste halvseklet.

"Denna snabba ökning har tagit bort all osäkerhet om betydelsen av mänskligt producerat kväve på den totala kvävecykeln, Schlesinger säger..

Schlesinger, Battye och Aneja ifrågasätter om jordens nuvarande denitrifieringsprocess kan fortsätta att hålla jämna steg med den mänskliga produktionen av fixerat kväve. För närvarande, bakterierna som driver denna denitrifikationsprocess verkar hålla jämna steg med det ökade fixerade kvävet. Men om livsmiljöerna där dessa bakterier frodas, som kärr och våtmarker, inte är bevarade, och denitrifieringsprocessen bryts ner, en stor obalans i kvävekretsloppet kan uppstå.

Detta kan leda till skadliga algblomningar och döda zoner i vattendrag, högre kostnader för behandling av dricksvatten, och en ökad risk för folkhälsan från alggifter i vattendrag.

Även om denitrifieringsprocessen kan hålla jämna steg med den ökande efterfrågan, det kan fortfarande bli negativa atmosfäriska konsekvenser av överskottet av kväve. Denitrifikation producerar dikväveoxid, en potent växthusgas som är den tredje största bidragsgivaren till den globala uppvärmningen efter koldioxid och metan. Lustgas har en växthuspotential som är nästan 300 gånger större än koldioxid pund för pund och kan hålla i atmosfären i mer än 100 år, enligt EPA. Lustgas kan också bryta ner det stratosfäriska ozonskiktet, säger Aneja.

Kväveoxid, en annan biprodukt av denitrifikation, kan reagera med flyktiga organiska föreningar för att producera marknära ozon, som är skadligt för människor och växtlighet.

Människoorsakade klimatförändringar, ett resultat av för mycket koldioxid i atmosfären, kan också intensifiera mängden kväve i amerikanska vattendrag. Klimatförändringar kan orsaka mer nederbörd i vissa områden, vilket kan resultera i mer avrinning från jordbruket som kan förorena lokala vattendrag, enligt en färsk studie i tidskriften Vetenskap .