人类通过施氮增加土地生产力，但全球日益增长的氮肥施用正在破坏环境并威胁人类健康。我们应如何寻找一条更可持续发展的道路? 今天天地球上的数十亿人，依靠一个世纪之前的一项发明而生存。1909年，德国卡尔斯鲁厄大学(Urlive r‘sity of Karlsruhe)的化学家弗里茨·哈伯(Frjtz Haber‘)找到了一种把氮气转化成氦(化肥中的有效成分)的方法——大气中本来存在大量氮气，但它们活性低，不能为大多数生物利用。20年后，德国的另一位科学家卡尔·博施(Car‘lBoscll)把哈伯的发明发展成了工业化合成氨技术，此后世界粮食生产能力剧增。 在接下来的几十年里，新兴工厂利用工业合成氨为原料，生产了大量氮肥，哈伯一博施合成氨技术作为在人类历史上对公共健康贡献最大的发明之一备受尊重。作为绿色革命的支撑技术之一，化肥可以把贫瘠的土壤变成沃土，并使农民可以在同一块土地上连续种植作物，而无须再像过去一样，等土地肥力经过漫长的自然过程恢复。因此，20世纪世界人口由1 6亿激增到60亿。 然而人类为此付出了高昂代价。我们制造的这些活性氮(主要来源于化肥，少部分来源于汽车或工业燃烧的化石燃料)，大多数并未通过食物链进入我们的口中。与此相反，它们大多迁移到大气、河流和海洋中，成为严重污染。科学家已经大量报道活性氮造成藻类爆发、海岸死区和臭氧污染的案例。近期的研究表明，活性氮增加还能造成生物多样性丧失、全球变暖，甚至有迹象暗示，它们可能会增加人类几种恶性疾病的发病率。 今天人类正在加速制造活性氮并排入环境中，部分原因在于，越来越多的国家热衷于追求高化肥消耗的生物燃料及肉类的生产(肉类饮食习惯靠种植大量畜用谷物实现)。在南美和亚洲等地区，过量施肥和不加管制燃烧化石燃料越来越普遍。这就很容易解释，为什么曾经只在北美和欧洲出现的海岸死区以及其他与氮素相关的环境问题，如今会在全球涌现。 与此同时，对于撒哈拉以南的非洲(sub—Saltlaran Aft‘ica)和其他贫瘠地区，施肥应该是提供稳定食物来源的首要手段。但是国际社会必须共同在全球范围内寻找更好的施用肥料，同时减少施肥的负面影响。解决之道通常不简单，但也并非遥不可及。物极必反 人类活动打破了自然界惰性的氮气和活性氮之间的转化平衡。 解决氮问题必须先理解氮素的化学行为，并了解氮素是如何造成环境问题的。当气态氮气分子的化学键断裂时，氮素的害处和益处就都出现了。所有生命都需要氮素，但大多数生物并不能直接利用地球上最大的氮源——大气中的氮气。虽然大气组成的78％是氮气，但它是惰性的。自然界中少数微生物种群能破坏氮气分子中两个氮原子之间的氮氮三键，使它转变成能被生物直接利用的活性氮，这一过程就是生物固氮。这些特殊的细菌既可以自由存在于陆地和淡成水中，也可以和豆科作物(可以说是全世界最重要的作物)的根系共生。闪电和火山爆发也可以产生少量的活性氮。在人类发明哈伯一博施及其他固氮技术之前，全世界产生的活性氮可经由另外一小类微生物的反硝化作用(de rlitrificatiorl)转化成氮气而达到平衡。然而。仅仅一代人的时间，这种精巧的平衡就完全被人类活动打破。截至2005年，人类每年至少合成1．8亿吨活性氮，相当于陆地其他自然过程固氮量的两倍。氮素有时被称为自然界最活跃的元素，可以和大多数化合物结合并能广为传播，因此一旦它从非活性态变成活性态的氮，就可能造成一系列环境问题。活性氮原子无论是进入大气还是河流，都可能淀积到离发源地数十千米或数百千米之外。甚至地球某些最偏僻的角落，现在也受到由于人类活动造成的氮水平升高的影响。也许最让人不寒而栗的是：单个新产生的活性氮原子就能在各种环境中“胡作非为”，就像逃出监狱的惯犯。活性氮的后果过量活性氮会对环境和人类健康造成极大威胁，还可能引起全球变暖。向玉米地或草地施入氮肥后的响应简单而明确：植物生长得到促进。然而在自然生态系统中，这种响应往往更为复杂并且令人忧心。含有肥料的河水进入海洋后会引起浮游植物的爆发，这些浮游植物在腐烂时耗氧，形成所谓的死亡地带(dead ZO[1e)。即使在陆地，在一个复杂的生态系统中，并非所有植物都对外源氮有同等程度的响应，而且很多植物对突然富氮的情况没有足够的应对能力，会输给那些在富营养环境下竞争力更强的新物种。通常，外源氮的“净效应”是生物多样性的丧失。数十年来，人为引起的大气氮沉降增加已经导致欧洲很多地方的草地至少丧失了植物种类的1／4。这个问题很普遍，以至于最近的一个科学评估将氮污染评为全球生物多样性三大威胁之一。联合国环境规划署(Urfited Natio~1s ErlvironmenlProgram)的《生物多样性公约》(Cot’iver~tiorlon Biological Dive r‘sity)也考虑将氮沉降的减少作为环保成功的一个关键指标。一种稀有植物的消失一般不会引起公众或政策制定者太多关注。但过量氮素不仅对其他物种有害，也能威胁我们人类自身。美国国立卫生研究院(Natiorlal I rlstitLJtes of-rlealt~1)的一份报告指出，饮用水中硝酸盐浓度升高(通常是由氮肥施用引起的一种水污染)可能会带来很多健康问题，包括导致一些癌症；与氮素相关的大气污染(包括微粒和近地面臭氧)影响着亿万人的健康，增加了心肺疾病的发病率和整体死亡率。过量氦素(以及另一种普遍使用的化肥：磷)引起的生态反馈，也可能带来其他一些健康威胁。这种反馈的力度及其变化情况仍有待研究，但科学家确信，氮素的富集在很多方面改变着生态系统。近来有证据表明，从饮用水中摄取过量氮素可能增加患阿尔茨海默病和糖尿病的风险。氮素的富集还可能增加空气过敏原的排放，从而助长某些传染病的传播。比如说，向豚草施肥能提高它的花粉产生量，而豚草花粉是引发过敏性鼻炎和支气管哮喘等变态反应症的主要病源。氮素过量时，疟疾、霍乱、血吸虫病和西尼罗河病毒都可能感染更多人。以上提到的传染病和很多其他疾病受制于环境中其他物种(特别是携带传染病源的生物)的活动，比如蚊子使疟疾寄生虫得以散播，螺类向水中释放血吸虫。蜗牛为我们展示了氮素是如何引发连锁反应的：径流中更多的氮、磷能刺激水体中植物的生长，为螺类提供更多的食物，导致这种血吸虫宿主的数量快速增殖。额外的营养也导致螺类个体携带的血吸虫数量呈指数增长。一般情况下，要说明养分污染是否会增加患病风险还为时过早——在某些情况下，这样的生态变化有可能降低我们的健康风险。但在将来几十年里，更多的肥料会用在疾病多发的热带地区，我们需要尽快弄清楚这种生态变化的潜在可能性。越来越多的证据也指出活性氮在气候变化中日益重要的作用。大气中活性氮以一氧化氮(NO)或二氧化氮(N02)，两者统称氮氧化物tNT()x)的形式出现时，就会导致主要副产物——近地面臭氧的产生。这些臭氧的形成之所以令人忧心。不仅仅是因为它们对人体健康有威胁，还因为在接近地面处，臭氧是一种重要的温室气体。另外，它还会破坏植物组织，导致每年数十亿美元的作物产值损失。通过限制植物生长，臭氧削弱了植物吸收C02从而抵御全球变暖的能力。如果活性氮以氧化亚氮(N，O)的形式存在，对全球气候变化则是一个特别令人不安的威胁。原因在于N，O是增温效应最强的温室气体，单个N20分子的增温效应大约是CO：，的300倍。尽管大气中N，O的浓度远低于CO，，但当前大气中N，O的增温贡献已经达到COs，贡献的10％。值得注意的是，有时过量的氮可以抵消气候变暖---例如，氮素在空气中去其他化合物结合形成气溶胶能反射太阳辐射，而且能促进缺氮森林中植物的生长，从而吸收大气中更多的CO2.尽管氮素至热效应和至冷效应之间的平衡仍不确定，大多数迹象表明人类持续的过量氮投入将加速气候变暖。 |
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