環境中的氮

編譯 凌寒

北美伊利湖，人類活動產生的過量氮排放會導致大量的藻華

人類活動已經嚴重擾亂了全球氮循環。地球環境安全界限——作為人類安全運行空間——已經被氮循環超越。在世界上的一些地方，過量的氮對生物多樣性、人類健康及氣候均有負面影響。然而，在世界上的其他地方，氮的短缺卻意味著食物需求無法得到滿足。氮循環的這種大規模干擾帶來了相當大的挑戰，需要因地制宜廣泛采用適當的氮的管理方法。

氮是地球上一種豐富的元素，它占地球大氣的78.1%，是所有生命形式的必需營養物。這些氮大部分以氮氣（N2）這一惰性形式存在，大多數生物無法將其利用。但其中的一部分由自然或人為過程固定的氮，則是以活性形式［Nr，包括氮氧化物（NOX），還原態氮（NHX），一氧化二氮（N2O），硝酸（HNO3）以及其他有機和無機形式］存在，可供生物利用。在過去的一個世紀里，來自人類活動的Nr的數量現如今已經增加到超過自然固定的氮的程度，導致氮的全球性循環增加了一倍多（人為的Nr的生產為210百萬噸/年；自然界Nr的生產為203百萬噸/年）。由于固氮量的增加，空氣、水和土壤中的氮污染已成為世界許多地區關注的主要問題。

氮素利用不均

發達國家氮污染的一個主要原因是糧食生產。在糧食生產和消費過程中釋放到環境中的Nr污染物是由一系列問題引起的，包括肥料的過度使用、動物廢物的管理不善、蛋白質的過度消費及廚余垃圾。1961至2007年間，全球性化肥氮素投入和糧食產量均有所增加，但從收獲的作物中回收的氮肥添加量仍保持相對不變，約為40%。這就意味著流失到環境中的氮量穩步增加。

然而，全球氮肥的使用有著相當大的不平衡。在經濟合作與發展組織（OECD）之外的國家和主要新興經濟體中，農作物吸收的氮量仍然很低。不僅肥料不足，可利用的營養物質也常常沒有得到有效利用。撒哈拉以南非洲地區就是一個極好的例子。在這里，2012年貧瘠土壤糧食作物的平均產量為1噸/公頃，而肥料的平均使用量則為9公斤/公頃耕地。相比之下，作為主要新興經濟體所在地的亞洲，作物產量可達4.5噸/公頃，但這是通過平均96公斤/公頃的施肥量達到的。氮的短缺顯然導致了滿足人口糧食需求方面的巨大問題。這些問題正如氮污染在世界其他地區造成的問題一樣難以解決。

在世界上的許多地方，過量的固定氮正在引發環境和健康問題，但在一些發展中國家，氮不足卻造成食物短缺。

可用性Nr增加的后果

可用性Nr增加的主要后果之一是Nr在大氣中的沉積增加。1900至1980年間，歐洲氧化氮（如NOX和N2O）的沉積增長了3至4倍，而還原氮（例如氨）的沉積則翻了一番。科瑞恩（Craine）等人最近表明，植物組織中的氮濃度——通常被認為是植物吸收氮量或它們的氮素狀況的指標——在1980至2017年之間發生了全球性的下滑，盡管在全球范圍內可用性Nr日益增多。氮含量的減少似乎表明，植物可利用的氮比過去要少了。雖然1980年以來，一些發達國家的氮沉積有所下降，但這并不是一種全球性趨勢，這使得植物氮儲備的減少很難與氮排放的增加相協調。作者認為這是由二氧化碳（CO2）含量的增加和生長季節的延長造成的，這使得生物質產量大幅度增加。

穩定同位素研究可以為植物組織中氮的來源提供信息。穩定同位素是用樣品中重同位素和輕同位素的比值來測量的；大氣中沉積的氮源通常很輕(稱為哈勃-博世效應)。氮穩定同位素比率（δ15N）的下降可能表明了大氣沉積的增加。確實，在最近的一項建模研究中，楊（Yang）和格魯伯（Gruber）發現全球海洋中同位素輕氮含量增加；米（Mii）和西格瑪（Sigman）報告了在一處遠海珊瑚礁上的類似的觀察結果。科瑞恩等人同樣也觀察到了δ15N的下降，盡管數據有著較大變異性且變動很小。因此，盡管氮的大氣沉積增加了，但植物氮濃度仍在下降。

科瑞恩等人質疑人類是否已經超越了氮素有效性真正的地球環境安全界限，因為植物組織氮正在銳減。然而，對生態系統的廣泛破壞支持了這一觀點，即我們確實已經超越了地球環境安全界限。大氣中氮的沉積已經增加到了這樣一種程度，即已成為全球植物生產力的主要驅動力，并在大陸尺度上成為物種豐富度和物種組成的重要驅動力。許多模擬沉積的田間試驗表明，當氮的添加量減少時，土壤化學和物種組成的恢復具有相當大的惰性。

例如，鮑曼（Bowman）等人已經證明，在美國落基山脈的高寒草原上，歷時12年的模擬Nr沉積導致了物種組成的顯著變化，包括曾經的優勢物種莎草的減少和其他物種的增加。研究還發現，土壤中的真菌-細菌比、硝化作用、土壤pH值、有毒金屬濃度和陽離子濃度也發生了變化。在停止Nr投入9年后，許多的土壤變量仍未恢復到基準水平，生物區系亦如此。這種類型的發現并不少見，而且由于在一些群落中觀測到的恢復不足，部分生境可能已經達到了其他穩定狀態。

解決過剩和短缺的問題

對氮沉積造成的損害程度的認知，以及其他環境政策領域的協同效應，已經開始引起氮排放和氮沉積的減少。主要由燃燒過程產生的氧化氮的沉積20世紀80年代在歐洲達到高峰，之后即開始下降，這主要得益于減少空氣污染的相關政策，同時也得益于減少碳排放的協同效應。主要由農業活動產生的還原氮的沉積的減少則要小得多。在還原氮排放方面缺乏進展的部分原因是許多國家對農業排放的管制比工業和運輸排放的管制要寬松。在美國也觀察到了類似的趨勢。

要進一步減少Nr的產生，就需要廣泛改變對農業操作規范和對糧食的態度。李（Li）等人強調了糧食生產系統對環境造成的環境壓力。如果人類想要待在地球安全環境界限內，包括氮的安全界限內，我們就必須改變飲食結構，并結合技術進步以及減少食物浪費。尤其是肉類的消耗，推動了人類的氮足跡，因為在肉類生產過程中，大量的Nr會流失到環境中。從全球來看，肉類的消耗持續增長，但有證據表明，在部分高收入國家，人均肉類消耗已經開始下降。

地球的氮循環在全球范圍內受到了極大的干擾，迫切需要解決環境中氮過量的問題。可以采取許多潛在的辦法進一步減少Nr的投入，例如針對農業和工業排放的技術解決方案以及污染行業做法的改變。這可能包括動物糞便存儲方式的優化，精準農業以減少肥料的投入，以及氣體洗滌以去除工業排放中的氮。然而，諸如此類的措施需要得到廣泛采用，并受到立法權限的支持。

世界上許多地區Nr匱乏的問題也迫切需要得到解決，以確保糧食生產足以滿足需求。氮的匱乏是一個復雜的問題，與許多社會學因素有關，關于無機肥料應該發揮的作用有相當大的爭議。

平衡這兩個截然不同的問題，對將Nr作為環境問題向公眾傳播提出了巨大的挑戰，并且這一問題只能通過自然科學家和社會學家、政府以及非政府組織之間的合作來解決。Nr的過剩和短缺將繼續成為未來的主要環境問題。提高認識、改變行為和加強監管，特別是減少氮的排放，必須集結起來共同應對這一全球性問題。