一氧化二氮（N₂O）也被稱為(wei) 笑氣。它的溫室效應是二氧化碳的300倍，遠遠高於(yu) 甲烷。從(cong) 農(nong) 業(ye) 上大量使用人工氮肥開始時，它的排放量就在迅速增加。為(wei) 了降低它的影響，或許現在我們(men) 該嚐試一些新的農(nong) 業(ye) 生產(chan) 方式。

　　撰文 | Ula Chrobak

　　翻譯 | clefable

　　審校 | 二七

　　當全球努力削減溫室氣體(ti) 排放時，人們(men) 逐漸開始關(guan) 注食物生產(chan) 過程中排放的溫室氣體(ti) 。這是因為(wei) ，在人為(wei) 造成的溫室氣體(ti) 排放中，農(nong) 業(ye) 來源占到了16%~27%。但排放的氣體(ti) 並非最為(wei) 大家熟知的溫室氣體(ti) ——二氧化碳，而是另一種氣體(ti) ：一氧化二氮（N₂O）。

　　“N₂O也被稱為(wei) 笑氣，但近年來，這種氣體(ti) 並沒有得到應有的關(guan) 注。”戴維·坎特（David Kanter）說，他是紐約大學研究營養(yang) 物汙染的科學家，也是國際氮倡議（International Nitrogen Initiative，主要關(guan) 注氮汙染研究和相關(guan) 的政策）組織的副主席。他表示，“N₂O是一種被遺忘的溫室氣體(ti) 。”

　　相比之下，N₂O加熱大氣的效率是二氧化碳的300倍（比較單個(ge) 分子的加熱效率）。和二氧化碳一樣，它也能長期存在於(yu) 大氣中，平均存在114年後才會(hui) 分解。除此之外，它還能破壞臭氧層。總體(ti) 而言，笑氣對氣候的影響並不是開玩笑的。政府間氣候變化專(zhuan) 門委員會(hui) （IPCC）的科學家評估發現，N₂O在總溫室氣體(ti) 排放量中占比為(wei) 6%，其中3/4的N₂O排放來源於(yu) 農(nong) 業(ye) 。

　　盡管N₂O對全球氣候變化有著重要的影響，但在製定氣候政策時，卻嚴(yan) 重忽視了N₂O的排放，而這種氣體(ti) 仍在大氣中持續積累。2020年，一項關(guan) 於(yu) N₂O源和匯的綜述性研究顯示，在過去40年間，N₂O的排放量增加了30%，還未超出IPCC所描述的最高潛在排放量的場景。由於(yu) 全球各地大量使用氨肥，農(nong) 業(ye) 用地也成為(wei) 了導致大量N₂O排放的罪魁禍首。

　　目前，科學家正在尋找多種方法來改善土壤，或者調整耕作方式，以減少N₂O的排放量。愛荷華州立大學的農(nong) 業(ye) 生態學家和土壤科學家邁克爾·卡斯特利亞(ya) 諾（Michael Castellano）表示：“任何可能提高肥料使用效率的方法，都能帶來很大的改變。”

　　氮循環不平衡

　　人類活動已經使地球上的氮循環失去了平衡。在現代農(nong) 業(ye) 出現之前，傳(chuan) 統農(nong) 業(ye) 中的氮大多來源於(yu) 植物堆積在一起腐爛而形成的堆肥、糞肥和一些固氮微生物。這些微生物能吸收N₂，並將其轉變成銨鹽，後者能溶於(yu) 水，進而被植物的根係吸收。而在20世紀初期，哈伯-博施法的出現開辟了一條能大量製造氨肥的工業(ye) 化途徑。

　　氨肥的大量使用提高了糧食的產(chan) 量，養(yang) 活了更多的人口，但過剩的硝酸鹽和氨也給環境帶來了危害。全球每年能耗中有1%用於(yu) 生產(chan) 氨肥，生產(chan) 過程中排放的二氧化碳約占該氣體(ti) 全年總排放量的1.4%（生產(chan) 過程包括加熱氮氣到500℃左右，將其升高到400個(ge) 標準大氣壓，這些都非常耗能）更為(wei) 重要的是，在一年中，農(nong) 民會(hui) 分批次地在農(nong) 田中施加大量的氮肥，沒有被作物利用的氮肥就會(hui) 成為(wei) N₂O的來源。

　　當植物根部無法完全用掉這些肥料時，會(hui) 發生什麽(me) 呢？一些肥料會(hui) 從(cong) 農(nong) 田流出，汙染水源。剩下的會(hui) 被土壤中的一係列微生物利用，它們(men) 會(hui) 將氨轉化成亞(ya) 硝酸鹽和硝酸鹽，最終變成氮氣回到空氣中。而N₂O是這個(ge) 反應鏈中數個(ge) 結點的副產(chan) 物。

　　在植物需要的時候，謹慎分配肥料的使用量，或者找到一些能降低氨肥使用量但能維持糧食產(chan) 量的方法，這些都能降低N₂O的排放量。科學家正在尋找多種方法實現這些。目前，一種正在測試的方法是精準農(nong) 業(ye) 技術，該技術主要通過遙感技術來確定何時在農(nong) 田的哪個(ge) 區域使用多少氨肥。另一種方式是使用硝化抑製劑，這種化學物質能抑製微生物將氨轉化成硝酸鹽，不僅(jin) 能抑製N₂O的產(chan) 生，也能保持土壤中的肥力，讓植物能使用更長的時間。

　　根據2018年奧地利國際應用係統分析研究所科學家的估計，按照目前N₂O的排放趨勢，廣泛采取這兩(liang) 種方式或能在2030年將N₂O的排放量降低26%。但他們(men) 也表示，想要滿足巴黎協定設置的溫室氣體(ti) 排放標準，還需要做出更多的努力。因此，科學家正在探索其他的方法。

　　改善土壤

　　一個(ge) 選擇是，利用一些特定的微生物來為(wei) 植物供氮。在豌豆、花生和其他豆類等作物中，一些共生的固氮細菌能棲息在作物根部，為(wei) 其提供氮。“這些細菌確實是居住在土地裏的金子，”伊賽·薩拉斯-岡(gang) 薩雷斯（Isai Salas-González）說，他是《2020年微生物學年度評論》發表的一篇關(guan) 於(yu) 植物微生物文章的作者，也是一位計算生物學家，最近在北卡羅來納大學教堂山分校獲得了博士學位。

　　在這一方麵，Pivot Bio公司從(cong) 2019年開始就在銷售一種頗有成效的微生物產(chan) 品：當在播種玉米的犁溝中放入含有細菌的接種劑後，細菌會(hui) 與(yu) 作物的根部形成共生關(guan) 係。（這家公司計劃發布一些類似的產(chan) 品，用於(yu) 種植高粱、小麥、大麥和水稻）Pivot Bio的首席執行官卡斯滕•泰姆（Karsten Temme）表示，這些微生物會(hui) 持續地給植物供氮，以換取植物泄漏的糖，這減少了植物對合成肥料的需求。

　　泰姆說公司的科學家正在開發一種含有單一細菌Kosakonia sacchari的接種劑，該細菌的基因組中含有固氮基因。雖然目前並不了解這些固氮基因是否能在農(nong) 田環境中發揮作用，但通過基因編輯，科學家能重新激活細菌中的18個(ge) 基因，這樣即使沒有合成肥料，細菌也能產(chan) 生多種固氮酶為(wei) 植物提供氮。泰姆說，“我們(men) 能誘導細菌產(chan) 生這種酶。”

　　史蒂文·哈勒（Steven Hall）是愛荷華州立大學的生物地球化學家，他正在用垃圾桶大小的容器種植玉米，以測試這種產(chan) 品的效果。研究人員將接種劑與(yu) 不同重量的合成肥料混合施加到土壤中，並測量玉米的產(chan) 量和N₂O的排放量，以及有多少硝酸鹽從(cong) 容器底部滲出。雖然測試目前還沒完成，但哈勒表示，初始結果顯示微生物能減少肥料的用量，進而減少N₂O的排放量。

　　不用耕作的農(nong) 田

　　但是，一些土壤科學家和微生物學家有點懷疑微生物是否能快速恢複土壤的肥力。圭爾夫大學環境微生物學的博士生托呂·馬法-阿托耶（Tolu Mafa-Attoye）表示，類似的“生物肥料”也有好有壞，這主要取決(jue) 於(yu) 這些微生物施用的土壤和環境。例如，在一塊小麥田的實驗中，給作物接種有益的微生物能促進植物生長，但隻能略微提高產(chan) 量。

　　“與(yu) 其添加一種微生物，更有意義(yi) 的做法或許是刺激原本就存在於(yu) 植物根部的、理想的微生物生長。”英國蒂賽德大學的微生物學家卡洛琳·奧爾（Caroline Orr）說。她已經發現減少農(nong) 藥使用，能讓作物根部擁有更多的微生物種群以及更好的自然固氮能力。除此之外，N₂O的產(chan) 量會(hui) 受到碳、氧和氮可獲取度的影響，而這些又會(hui) 受到肥料使用、灌溉和耕作的影響。

　　以耕作為(wei) 例，一篇研究了200多項研究的分析報告發現，在農(nong) 民停止和減少設備耕作後最初10年裏，N₂O的排放量會(hui) 增加，隨後開始降低。該分析報告的作者之一、蘇黎世聯邦理工學院的農(nong) 業(ye) 生態學家約翰·西克斯（Johan Six）認為(wei) ，這是因為(wei) 經過多年的設備耕作後，土壤一開始會(hui) 進入高度壓實的狀態。但隨著時間的推移，不受幹擾的土壤形成了餅幹屑一樣的結構，允許更多的空氣流入。在富氧環境中，微生物產(chan) 生的N₂O更少。這種免耕係統還能儲(chu) 存更多的碳，因為(wei) 耕作較少能減少有機碳向二氧化碳轉化，能產(chan) 生額外有益的氣候效益。

　　這甚至有可能幫助農(nong) 民在保持農(nong) 作物產(chan) 量的同時，節省化肥和水資源的成本，減少排放。在研究加州中央穀的番茄農(nong) 場時，西克斯發現減少耕作，通過滴灌係統緩慢向植物滲透氮等養(yang) 分，能將一氧化二氮的排放量降低70%（相比傳(chuan) 統的土地管理方式）。

　　在密蘇裏州，農(nong) 民安德魯·麥克雷（Andrew McCrea）用免耕方法種植了2000英畝(mu) （約809公頃）的玉米和大豆。今年，他計劃減少肥料的使用，看看Pivot Bio的接種劑是否能讓他的產(chan) 量大體(ti) 保持不變。他說：“我認為(wei) 所有的農(nong) 民都很關(guan) 心土壤。如果我們(men) 能削減成本，那也真的是太好了。”

　　紐約大學的坎特說，如果政策製定者能關(guan) 注N₂O，我們(men) 所有人都會(hui) 受益。尤其是相比其他應對氣候變化的措施，降低N₂O的排放可能會(hui) 更迅速、更容易實現。同樣，降低N₂O排放也會(hui) 減少當地的空氣和水汙染以及生物多樣性的損失。坎特說：“這些是人們(men) 在幾年內(nei) 就能看到和感受到的東(dong) 西，而不需要經過數十年或數個(ge) 世紀。”

　　原文鏈接：

　　https：//www.bbc.com/future/article/20210603-nitrous-oxide-the-worlds-forgotten-greenhouse-gas

　　本文轉自《環球科學》

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