溫室效應是二氧化碳的300倍，這種氣體卻一直被忽略
一氧化二氮（N₂O）也被稱爲笑氣。它的溫室效應是二氧化碳的300倍，遠遠高於甲烷。從農業上大量使用人工氮肥開始時，它的排放量就在迅速增加。爲了降低它的影響，或許現在我們該嘗試一些新的農業生產方式。
撰文 | Ula Chrobak
翻譯 | clefable
審校 | 二七
當全球努力削減溫室氣體排放時，人們逐漸開始關注食物生產過程中排放的溫室氣體。這是因爲，在人爲造成的溫室氣體排放中，農業來源佔到了16%~27%。但排放的氣體並非最爲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（N₂O）。
“N₂O也被稱爲笑氣，但近年來，這種氣體並沒有得到應有的關注。”戴維·坎特（David Kanter）說，他是紐約大學研究營養物污染的科學家，也是國際氮倡議（International Nitrogen Initiative，主要關注氮污染研究和相關的政策）組織的副主席。他表示，“N₂O是一種被遺忘的溫室氣體。”
相比之下，N₂O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，它也能長期存在於大氣中，平均存在114年後纔會分解。除此之外，它還能破壞臭氧層。總體而言，笑氣對氣候的影響並不是開玩笑的。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的科學家評估發現，N₂O在總溫室氣體排放量中佔比爲6%，其中3/4的N₂O排放來源於農業。
儘管N₂O對全球氣候變化有着重要的影響，但在制定氣候政策時，卻嚴重忽視了N₂O的排放，而這種氣體仍在大氣中持續積累。2020年，一項關於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。由於全球各地大量使用氨肥，農業用地也成爲了導致大量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業生態學家和土壤科學家邁克爾·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。”
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。在現代農業出現之前，傳統農業中的氮大多來源於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，後者能溶於水，進而被植物的根系吸收。而在20世紀初期，哈伯-博施法的出現開闢了一條能大量製造氨肥的工業化途徑。
氨肥的大量使用提高了糧食的產量，養活了更多的人口，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%用於生產氨肥，生產過程中排放的二氧化碳約佔該氣體全年總排放量的1.4%（生產過程包括加熱氮氣到500℃左右，將其升高到400個標準大氣壓，這些都非常耗能）更爲重要的是，在一年中，農民會分批次地在農田中施加大量的氮肥，沒有被作物利用的氮肥就會成爲N₂O的來源。
當植物根部無法完全用掉這些肥料時，會發生什麼呢？一些肥料會從農田流出，污染水源。剩下的會被土壤中的一系列微生物利用，它們會將氨轉化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，最終變成氮氣回到空氣中。而N₂O是這個反應鏈中數個結點的副產物。
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業技術，該技術主要通過遙感技術來確定何時在農田的哪個區域使用多少氨肥。另一種方式是使用硝化抑制劑，這種化學物質能抑制微生物將氨轉化成硝酸鹽，不僅能抑制N₂O的產生，也能保持土壤中的肥力，讓植物能使用更長的時間。
根據2018年奧地利國際應用系統分析研究所科學家的估計，按照目前N₂O的排放趨勢，廣泛採取這兩種方式或能在2030年將N₂O的排放量降低26%。但他們也表示，想要滿足巴黎協定設置的溫室氣體排放標準，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
一個選擇是，利用一些特定的微生物來爲植物供氮。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，爲其提供氮。“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》發表的一篇關於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，細菌會與作物的根部形成共生關係。（這家公司計劃發佈一些類似的產品，用於種植高粱、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。雖然目前並不瞭解這些固氮基因是否能在農田環境中發揮作用，但通過基因編輯，科學家能重新激活細菌中的18個基因，這樣即使沒有合成肥料，細菌也能產生多種固氮酶爲植物提供氮。泰姆說，“我們能誘導細菌產生這種酶。”
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，並測量玉米的產量和N₂O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復土壤的肥力。圭爾夫大學環境微生物學的博士生託呂·馬法-阿託耶（Tolu Mafa-Attoye）表示，類似的“生物肥料”也有好有壞，這主要取決於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，但只能略微提高產量。
“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於植物根部的、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。她已經發現減少農藥使用，能讓作物根部擁有更多的微生物種羣以及更好的自然固氮能力。除此之外，N₂O的產量會受到碳、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。
以耕作爲例，一篇研究了200多項研究的分析報告發現，在農民停止和減少設備耕作後最初10年裏，N₂O的排放量會增加，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業生態學家約翰·西克斯（Johan Six）認爲，這是因爲經過多年的設備耕作後，土壤一開始會進入高度壓實的狀態。但隨着時間的推移，不受干擾的土壤形成了餅乾屑一樣的結構，允許更多的空氣流入。在富氧環境中，微生物產生的N₂O更少。這種免耕系統還能儲存更多的碳，因爲耕作較少能減少有機碳向二氧化碳轉化，能產生額外有益的氣候效益。
這甚至有可能幫助農民在保持農作物產量的同時，節省化肥和水資源的成本，減少排放。在研究加州中央谷的番茄農場時，西克斯發現減少耕作，通過滴灌系統緩慢向植物滲透氮等養分，能將一氧化二氮的排放量降低70%（相比傳統的土地管理方式）。
在密蘇里州，農民安德魯·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量大體保持不變。他說：“我認爲所有的農民都很關心土壤。如果我們能削減成本，那也真的是太好了。”
紐約大學的坎特說，如果政策制定者能關注N₂O，我們所有人都會受益。尤其是相比其他應對氣候變化的措施，降低N₂O的排放可能會更迅速、更容易實現。同樣，降低N₂O排放也會減少當地的空氣和水污染以及生物多樣性的損失。坎特說：“這些是人們在幾年內就能看到和感受到的東西，而不需要經過數十年或數個世紀。”
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》
