科普 | 溫室效應(yīng)是二氧化碳的300倍，這種氣體卻一直被忽略

圖片來源：Pixabay

當(dāng)全球努力削減溫室氣體排放時，人們逐漸開始關(guān)注食物生產(chǎn)過程中排放的溫室氣體。這是因為，在人為造成的溫室氣體排放中，農(nóng)業(yè)來源占到了16%~27%。但排放的氣體并非最為大家熟知的溫室氣體——二氧化碳，而是另一種氣體：一氧化二氮（N?O）。

“N?O也被稱為笑氣，但近年來，這種氣體并沒有得到應(yīng)有的關(guān)注?！贝骶S·坎特（David Kanter）說，他是紐約大學(xué)研究營養(yǎng)物污染的科學(xué)家，也是國際氮倡議（International Nitrogen Initiative，主要關(guān)注氮污染研究和相關(guān)的政策）組織的副主席。他表示，“N?O是一種被遺忘的溫室氣體?！?/span>

相比之下，N?O加熱大氣的效率是二氧化碳的300倍（比較單個分子的加熱效率）。和二氧化碳一樣，它也能長期存在于大氣中，平均存在114年后才會分解。除此之外，它還能破壞臭氧層?？傮w而言，笑氣對氣候的影響并不是開玩笑的。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的科學(xué)家評估發(fā)現(xiàn)，N?O在總溫室氣體排放量中占比為6%，其中3/4的N?O排放來源于農(nóng)業(yè)。

盡管N?O對全球氣候變化有著重要的影響，但在制定氣候政策時，卻嚴重忽視了N?O的排放，而這種氣體仍在大氣中持續(xù)積累。2020年，一項關(guān)于N?O源和匯的綜述性研究顯示，在過去40年間，N?O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。由于全球各地大量使用氨肥，農(nóng)業(yè)用地也成為了導(dǎo)致大量N?O排放的罪魁禍?zhǔn)住?/span>

目前，科學(xué)家正在尋找多種方法來改善土壤，或者調(diào)整耕作方式，以減少N?O的排放量。愛荷華州立大學(xué)的農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家和土壤科學(xué)家邁克爾·卡斯特利亞諾（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?！?/span>

人類活動已經(jīng)使地球上的氮循環(huán)失去了平衡。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的氮大多來源于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N?，并將其轉(zhuǎn)變成銨鹽，后者能溶于水，進而被植物的根系吸收。而在20世紀(jì)初期，哈伯-博施法的出現(xiàn)開辟了一條能大量制造氨肥的工業(yè)化途徑。

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

當(dāng)植物根部無法完全用掉這些肥料時，會發(fā)生什么呢？一些肥料會從農(nóng)田流出，污染水源。剩下的會被土壤中的一系列微生物利用，它們會將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，最終變成氮氣回到空氣中。而N?O是這個反應(yīng)鏈中數(shù)個結(jié)點的副產(chǎn)物。

氮循環(huán) 圖片來源：M maraviglia/維基百科

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(chǎn)量的方法，這些都能降低N?O的排放量。科學(xué)家正在尋找多種方法實現(xiàn)這些。目前，一種正在測試的方法是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，該技術(shù)主要通過遙感技術(shù)來確定何時在農(nóng)田的哪個區(qū)域使用多少氨肥。另一種方式是使用硝化抑制劑，這種化學(xué)物質(zhì)能抑制微生物將氨轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，不僅能抑制N?O的產(chǎn)生，也能保持土壤中的肥力，讓植物能使用更長的時間。

根據(jù)2018年奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所科學(xué)家的估計，按照目前N?O的排放趨勢，廣泛采取這兩種方式或能在2030年將N?O的排放量降低26%。但他們也表示，想要滿足巴黎協(xié)定設(shè)置的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要做出更多的努力。因此，科學(xué)家正在探索其他的方法。

一個選擇是，利用一些特定的微生物來為植物供氮。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，為其提供氮。“這些細菌確實是居住在土地里的金子，”伊賽·薩拉斯-岡薩雷斯（Isai Salas-González）說，他是《2020年微生物學(xué)年度評論》發(fā)表的一篇關(guān)于植物微生物文章的作者，也是一位計算生物學(xué)家，最近在北卡羅來納大學(xué)教堂山分校獲得了博士學(xué)位。

在這一方面，Pivot Bio公司從2019年開始就在銷售一種頗有成效的微生物產(chǎn)品：當(dāng)在播種玉米的犁溝中放入含有細菌的接種劑后，細菌會與作物的根部形成共生關(guān)系。（這家公司計劃發(fā)布一些類似的產(chǎn)品，用于種植高粱、小麥、大麥和水稻）Pivot Bio的首席執(zhí)行官卡斯滕?泰姆（Karsten Temme）表示，這些微生物會持續(xù)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(xué)家正在開發(fā)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。雖然目前并不了解這些固氮基因是否能在農(nóng)田環(huán)境中發(fā)揮作用，但通過基因編輯，科學(xué)家能重新激活細菌中的18個基因，這樣即使沒有合成肥料，細菌也能產(chǎn)生多種固氮酶為植物提供氮。泰姆說，“我們能誘導(dǎo)細菌產(chǎn)生這種酶?！?/span>

農(nóng)田（圖片來源：Pixabay）

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

但是，一些土壤科學(xué)家和微生物學(xué)家有點懷疑微生物是否能快速恢復(fù)土壤的肥力。圭爾夫大學(xué)環(huán)境微生物學(xué)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，這主要取決于這些微生物施用的土壤和環(huán)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，但只能略微提高產(chǎn)量。

“與其添加一種微生物，更有意義的做法或許是刺激原本就存在于植物根部的、理想的微生物生長?！庇儋惖麓髮W(xué)的微生物學(xué)家卡洛琳·奧爾（Caroline Orr）說。她已經(jīng)發(fā)現(xiàn)減少農(nóng)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，N?O的產(chǎn)量會受到碳、氧和氮可獲取度的影響，而這些又會受到肥料使用、灌溉和耕作的影響。

以耕作為例，一篇研究了200多項研究的分析報告發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)民停止和減少設(shè)備耕作后最初10年里，N?O的排放量會增加，隨后開始降低。該分析報告的作者之一、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家約翰·西克斯（Johan Six）認為，這是因為經(jīng)過多年的設(shè)備耕作后，土壤一開始會進入高度壓實的狀態(tài)。但隨著時間的推移，不受干擾的土壤形成了餅干屑一樣的結(jié)構(gòu)，允許更多的空氣流入。在富氧環(huán)境中，微生物產(chǎn)生的N?O更少。這種免耕系統(tǒng)還能儲存更多的碳，因為耕作較少能減少有機碳向二氧化碳轉(zhuǎn)化，能產(chǎn)生額外有益的氣候效益。

這甚至有可能幫助農(nóng)民在保持農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，節(jié)省化肥和水資源的成本，減少排放。在研究加州中央谷的番茄農(nóng)場時，西克斯發(fā)現(xiàn)減少耕作，通過滴灌系統(tǒng)緩慢向植物滲透氮等養(yǎng)分，能將一氧化二氮的排放量降低70%（相比傳統(tǒng)的土地管理方式）。

在密蘇里州，農(nóng)民安德魯·麥克雷（Andrew McCrea）用免耕方法種植了2000英畝（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(chǎn)量大體保持不變。他說：“我認為所有的農(nóng)民都很關(guān)心土壤。如果我們能削減成本，那也真的是太好了?！?/span>

紐約大學(xué)的坎特說，如果政策制定者能關(guān)注N?O，我們所有人都會受益。尤其是相比其他應(yīng)對氣候變化的措施，降低N?O的排放可能會更迅速、更容易實現(xiàn)。同樣，降低N?O排放也會減少當(dāng)?shù)氐目諝夂退廴疽约吧锒鄻有缘膿p失?？蔡卣f:“這些是人們在幾年內(nèi)就能看到和感受到的東西，而不需要經(jīng)過數(shù)十年或數(shù)個世紀(jì)?！?/span>

原文鏈接：

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