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氮排放:被遗忘的气候变化诱因
更新日期:2017-01-10 21:25:44
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导语:氮化物的温室效应是碳化物的数百倍,但是由于物质在大气中含量很少一直未被气候变化研究者重点关注。本文对氮足迹目前各个方面的研究进行了浅显的介绍。


关键词:氮排放; 氮污染; 氮足迹; 土壤问题; 硝化作用;


尽管碳排放因其在气候变化中的重要作用占据了报纸头条,但氮排放正逐渐成为一个富有争议的问题。无论怎样我们需要种植更多粮食供给不断膨胀的人口,同时最大限度地减少氮肥使用带来的问题。
据估计,仅仅欧洲一个地区,每年氮污染引发的环境和人类健康损失高达700-3200亿欧元。
氮排放,例如氨气、氮氧化物和一氧化二氮,都会促使悬浮颗粒物和酸雨的形成。悬浮颗粒物和酸雨又会进一步引发人们的呼吸道疾病、癌症,而且对森林和建筑物也会造成损害。
同时,含氮元素的气体在全球气候变化中也扮演着重要的角色。尤值一提的是,一氧化二氮是一种潜在的温室气体,它在大气中滞留热量的能力是二氧化碳的300多倍。
从化肥中流失的氮、从畜牧业和居民生活污水中排放的含氮污水废气导致藻类的爆发和水体污染。澳洲大堡礁那高达82亿澳元的估计损失时刻提醒着我们,我们在陆地上的抉择极大地影响着土地、水体和下游空气。
氮流失也损害了农民的利益,因为它代表着谷物潜在生长的减少或者化肥的浪费。这一流失对于发展中国家小佃农的影响最为突出。他们耕作农业的最大支出就是氮肥的费用,而氮流失所引发的粮食减产相当于家庭收入的25%。
氮排放问题的解决将需要结合科技创新、政府政策和消费者行动三方面的共同力量。


基本成分
氮元素是核酸、蛋白质和DNA的必须组成成分。植物生长离不开氮;动物和人们则从植物或者其他动物处获取氮元素。
氮气 (N?) 占空气组成成分的78%,但是氮气并不能直接被植物利用。一般化肥由氨制成,这是植物更“喜爱”的一种氮形式。
一个世纪之前,哈柏法合成氨给予我们一条生产氮肥的途径,至今我们仍然需要依赖该方法生产更多的氨。
从1961年至2014年,氮肥的使用量从每年1100万公吨增长到每年1.08亿公吨。伴随着大气中二氧化碳的浓度持续上升,粮食作物之类植物的氮需求量也可能逐渐升高。


使用氮肥和未使用氮肥的小麦生长对比实况【图上为使用了氨肥,图下为未使用氨肥】。Deli Chen/墨尔本大学


事实上,源自化肥的氮现在已经为人类餐桌提供上一半以上的蛋白质。不过,被施下去的化肥大约有50%都从农田、动物排泄物和土壤微生物代谢排放的气体中流失到水环境中了。
随着过去几十年氮肥使用量的增加,氮的流失也在持续增长。活性氮危害广泛,而且如果氮流失再不加以管控的话将会造成更多破坏。
面对不断膨胀的人口和日趋严峻的气候变化问题,我们前所未有地亟需优化氮肥使用和减少氮流失。


从农场到餐桌
理解目前氮的利用有一种很好的方法——研究氮足迹。氮足迹,是指食品、仓储、交通和消费服务过程中氮污染排放的集合。
由墨尔本大学博士生Emma Liang开展的研究指出澳大利亚的氮足迹很高。相比美国人均每年28kg的氮排放,澳大利亚人均47kg的排放量遥遥领先。
高动物蛋白的饮食习惯似乎是澳大利亚庞大氮排放量的直接原因。动物源农产品的消费量占了澳大利亚氮足迹82%的比重。
相较于植物源农产品,动物源农产品的氮成本更高。因为都要种植作物,两类农产品一开始氮成本一致,但是随着动物在其生命周期中不断消耗粮食,动物源农产品的氮成本显著提高。
N-Footprint(氮足迹)项目旨在帮助个人和机构计算其氮足迹。该项目表现了我们每个人的日常生活习惯影响着氮污染。
我们可以选择低氮足迹的膳食,比如用蔬菜、鸡肉和海鲜代替牛羊肉。我们可以通过购买更小份量的食物(如果需要的话,可以更加频繁地购买)和将食物垃圾堆肥来减少食物浪费。值得一提的是,如果我们降低我们的氮足迹,我们的碳足迹同样也会下降。


返回农场
与此同时,我们必须继续努力提高农场的氮使用效率。目前我们可以利用微量测定技术进一步分析土壤的氮流失。
以前科研人员需要带着塑料实验桶室、玻璃瓶和注射器坐在阳光下进行实验,现在只要使用高塔和激光组合的仪器。该仪器可以检测大面积气体浓度的微小变化并将数据直接发送到我们的电脑上。


涡度协方差塔。Mei Bai/墨尔本大学


我们现在知道硝化作用(氨转化为硝酸盐的过程)是氮流失和进一步引发气候变化、生态破化的主要原因。该过程就是减少氮流失的关键,也是研究人员和农民关注的靶标。
目前硝化抑制剂被大规模商用,将氮元素以铵盐形式保持住,因为铵盐是植物获取氮元素的形式,同时防止更容易流失到环境中的硝酸盐的累积。
随着该技术的进步,我们开始回答这些抑制剂将如何影响微生物群落的问题。微生物群落维持着土壤的健康并构筑生态系统的基础。
例如,我们的研究表明3,4-二甲基吡唑磷酸盐(即DMPP)抑制硝化作用,同时也不会影响土壤微生物群落的多样性。
还有一些激动人心的观察发现,某些热带草的根系能够抑制硝化作用。这一发现开辟了利用基因工程减缓环境中硝化速率的新路径。
解决氮利用困境将需要更多的研究去寻求提高初级农产品使用氮肥效率的方法,但是这也需要政府的引导和消费者选择减少食物浪费或者增加植物蛋白的食用比例。这些方式对于让环境变得更加清洁、让世界变得更加绿色都是非常有意义的。
12月4~8日,全球主要的研究员们在墨尔本举行了第七届国际氮倡议会议,讨论氮使用问题的最新解决方案。要更深入地了解这些问题,请访问INI2016网站或者注册9 Billion: Community Forum论坛账号与更多粮食农产品专家进行讨论。


作者简介:Ee Ling Ng,墨尔本大学研究员;Deli Chen,墨尔本大学教授;Robert Edis,澳大利亚国际土壤研究中心土壤科学家。


公开声明:
Ee Ling Ng就职于墨尔本大学,同时接受联邦政府的经费。
Deli Chen接受来自澳大利亚研究委员会、澳洲肉类及畜牧业协会、澳大利亚国际农业研究中心的资金支持。
Robert Edis接受澳大利亚国际农业研究中心的资金支持(ACIAR),同时隶属并受雇于ACIAR。
Emma Liang接受来自澳洲肉类及畜牧业协会和墨尔本大学澳中联合研究中心的资金支持。


本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。


(翻译:赵小娜;审校:杨玉洁)


原文链接:https://theconversation.com/nitrogen-pollution-the-forgotten-element-of-climate-change-69348

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