互动科普

为了向人类提供粮食，目前需要如此之多的含氮肥料，以致于氮在地球上的分布状态已经发生了显著的变化，而有时这种变化还是危险的。

20世纪，全球人口的数量几乎翻了两番虽然有许多因素都助长了这一空前的人口爆炸，但是如果没有一种广泛的——而通常又是不为人们领情的一一生产活动：氨的合成。那么在过去的约三十年间人口的持续增长完全是不可能的。氨和用它生产出的其它富氮肥料的现成可利用性，已经有效地解决了长期以来制约着粮食生产的一个根本性的问题。由于现代农业技术取得了众多的发展成果，因而目前全世界的人口已有足够的食物可供享用(平均而言)。而人类社会却拥有一个对充足的粮食供应负责的关键性化工工业——氮肥生产厂。

氮为何如此重要呢?与碳、氢和氧相比，氮仅仅是生命物质的一种辅助成分。但是通过人们消耗的食物和水，碳、氢和氧这三种主要元素能迅速地从其巨大的自然界仓库进入人体而变成为人体组织的一部分，而氮元素大部分仍然锁留在大气层中。仅有微不足道的少量氮资源才以生长着的植物、动物，以及最终为人类所能吸收的形式存在。

然而，氮元素具有决定性的重要作用。这种元素对于DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)来说是不可缺少的，而DNA和RNA分子则能贮存和传递遗传信息。为了制造各种各样植物和动物细胞的蛋白质。那些必不可少的信使、受体、催化剂以及一些结构成分同样也需要氮元素。人类与其它高级动物一样，不能使用空气中发现的氮来合成上述分子，而不得不从食物中获得一些氮的化合物。因为要维持正常的营养必须保证最低的氮摄入量(作为动物或植物蛋白质加以食用消耗)，所以对于氮摄入不存在代用品可利用。可是农作物要从大气中获得氮却并非是一件容易的事。

可供使用的氮相对不足可能归因于该元素的特殊化学性质。配对成双的氮原子构成了78%的大气，但是它们的过于稳定，以致于不易转变成一种植物能够吸收的活性形式。闪电能够使这些稳固结合的分子发生分解;然而，大多数天然氮的“固定”工作(固氮作用)是由某些细菌承担的(成对氮分子的分裂以及接着发生的这种元素并入化学上活性的氨化合物的过程)。最重要的固氮细菌为根瘤菌属(Rhizobium)细菌，它们是一些能在诸如蚕豆或阿拉伯胶树之类的豆科植物的根部产生瘤状物的共生生物。在更小程度上说，藻青菌(或者单独生活或者与某些植物共生)也能固氮。

一个长期存在的问题

因为农作物生长要取走氮和各种各样的天然损耗。土壤中的固定氮不断地减少。所以，氮元素经常处于供不应求的状态。传统农民(那些在工业化以前的农民)一般通过往田里加入收获残余物或动物废物和人类废弃物，来补充损失掉的氮或其收获物中所吸收去的氮。但是这些物料中所含的氮浓度较低，因而农民不得不大量施用上述物料以提供足够数量的氮。

传统农民还种植豌豆、黄豆、小扁豆和其它豆类植物。以及谷类植物和一些附加农作物。存在于这些植物根部的固氮细菌有助于给农田增氮。在某些情况下，农民种植豆科植物(在亚洲，即为满江红属蕨类植物 (Azolla ferms)，该植物藏匿有固氮藻青菌)完全用作肥料。然后他们将这些作物翻耕入土壤中作为所谓的绿肥，而完全不是为了收获粮食。在20世纪初期这种类型的有机农业在爪哇岛低地。整个尼罗河三角洲，在欧洲西北部地区(特别是在荷兰的一些农场)和在日本和中国的许多地区最为集中。

  .将重复利用人类和动物的废物与种植绿肥结合一起使用，基本上每年能为每公顷可耕地提供高达大约200公斤的氮。以这种方式所能产生的200到250公斤的植物蛋白质，给人口密度确定了理论极限值。一公顷耕地，配以优良土壤，适当的水分和一种能在全年连续耕作的温和气候条件，能够养活15个人。

然而，实际上，依赖于有机农业的各国人口密度总是要低得多。在本世纪初，中国的平均人口密度在每公顷可耕地养活5个人到6个人。在日本纯粹有机农业的最后几十年里(大致在20世纪初)，其人口密度稍高于中国，但是依赖海洋鱼类蛋白质的日本人却使这两个国家的比较变得复杂起来。对于19世纪期间欧洲西北部肥沃的农业区来说，每公顷可耕地养活大约5个人的人口密度也是具有代表性的，当时那里的农民仍然完全依赖于一些传统的耕作方法。

每公顷耕地养活大约5个人的实际极限值是由许多原因造成的，其中包括环境压力(最重要的是由恶劣天气和虫害所引起的)和种植非粮食作物——例如，那些提供药物或纤维的作物——的需要。其根本的困难则来自于封闭式氮循环。传统农业面临着一个根本性的问题，这个问题在一些没有放牧地或农业发展所需的未开垦地的土地缺乏国家尤为突出。在这些国家，农民要突破当地氮循环的限制和增加收成的唯一途径，是通过种植更多的绿肥。这种方法要抢在某一粮食作物栽种之前实施。因而主要谷物与豆科粮食作物轮种是一种较为适合的选择。可是甚至这样一种在传统农业中使用得如此普遍的耕作方法也具有其局限性。豆科植物产量较低，它们常常难于消化吸收，并且它们不能被容易地加工成面包或面条。因而使用这些古老方法生长的少数农作物几乎从来就不能提供足够的氮。

科学的丰产地

随着科学家的化学知识的扩充，19世纪科学家开始了解氮在粮食生产中的重要作用和它的可用形式的缺乏。他们弄清楚了另外两种关键养分——钾和磷——很少对农业产量起限制作用，并且改变这两种元素的短缺状态也要容易得多。为生产钾肥而开采钾盐矿床是一件简单的事情，而磷和浓缩富集则仅需要将酸加到富磷岩石上，将它们转变成更为可溶的化合物，当作物根部吸收水分时可将这些化合物吸收进去。对于氮来说却没有类似简单工艺程序可供使用，并且到了19世纪90年代末，在农学家和化学家中间有了一些紧迫和忧虑不安感，他们意识到继续增加的集约农业面临着一种正在日益逼近的氮危机。

因而，那个时代的技术专家尝试若干方法企图突破这个氮障碍。使用可溶性无机硝酸盐(来自智利沙漠中发现的岩崩沉积物)和有机海鸟粪(来自海鸟在秘鲁无雨的钦查群岛上留下的粪便)为一些农民提供了一种暂时缓解办法。从用于将煤转变成冶金焦的炼焦炉回收硫酸铵也为农业上氮供应作出过短暂的贡献。这种氰氨法——利用这种方法，焦炭与石灰和纯氮发生反应，产生一种含有钙、碳和氮的化合物——于1898年在德国进入商业化生产。但是，该法能耗太高以致于无法投入实际运营。将氮和氧两种元素吹入，通过电火花生产氮的氧化物也需要非常多的能量:只有挪威，利用其价格低廉的水电，才于1903年开始采用这种生产工艺方法制造氮肥，但是总产量仍然较低。

随着氨合成法的发明，氮肥生产才有了真正的突破。德国工业化学家卡尔·博施(Carl Bosch)于1899年在德国巴登苯胺烧碱厂(BASF)发明了这种生产工艺方法，BASF是德国第一流的化工企业。弗里茨·哈伯(Fritz Haber)是德国卡尔斯鲁厄(Karl Sruhe)技术大学的一位物理化学家，正是他发明了用氮和氢合成氨的一种行之有效的方法。在存在固体锇和铀催化剂的情况下，在200个大气压和500℃温度条件下，他使这两种气体发生化合反应。

哈伯的方法很有效，但是将这种实验室反应转变成一种工程现实是一项艰巨的任务。博施最终解决了这一最大的设计难题:高温高压下钢反应室内部的变质间题。他的研究工作直接导致了1913年德国Oppau的第一家商业性氨生产工厂的建立。该厂的设计能力不久便增加一倍，达到年产6万吨氨——足以使德国在第一次世界大战期间用于炸药生产的氨化合物方面达到了自给自足的程度。

战争间隔期间经常发生的经济困难减缓了哈伯-博施合成法的商业化速度，全球氨产量直到20世纪44年代末仍保持在500万吨左右。在20世纪50年代期间，氮肥的使用量逐渐上升到1000万吨；其后在20世纪60年代期间引入的一些技术革新，使合成法用电量减少了90%以上，并出现了一些更大型，更经济的氨生产设备装置。接着而来的需求量呈指数增长，使氮化合物的全球产量到20世纪80年代末增加了7倍。

氮化合物产量的急剧上升，伴随着氮的使用量在高收入和低收入国家之间的相对迅速的转移。60年代初，富裕国家的氮肥耗用量占全球总量90%以上，而到1980年其所占份额则下降到不足70%。发达国家和发展中国家的氮肥耗用量在1988年时各占全球总量的一半。目前发展中国家的氮肥用量占全球产量的60%以上。

人类对合成氮肥生产的依赖程度到底如何呢?这个问题是难以回答的。因为对于全球耕地的氮的进、出情况，人们仍然不太清楚。尽管如此，对各种施入量的仔细评估仍表明，每年大约有1.75亿吨氮流入全世界的耕地，而这一总量中大约有一半被栽培作物所吸收。合成氮肥提供了这些农作物吸收的全部氮量的40%左右。由于它们提供了——直接形式是植物和间接的是动物食品——所消耗的所有蛋白质的75%左右〔其余蛋白质来自鱼和肉以及通过放牧而生产的乳制品)，人类食物中大约有1/3的蛋白质依赖于合成氮肥。

这一新发现在某些方面对哈伯-博施合成法的重要性估计过高。在欧洲和北美，已不需要氮肥来确保生存乃至足够的营养。这些充分发达地区对合成肥料的大量使用起源于种植家畜饲料的要求，以满足高蛋白动物食品的普遍偏爱。即使将上述地区的蛋白质平均消耗量减少一半(例如，通过劝说人们少吃肉食)，而北美人和欧洲人也仍可能享受到足够的营养。

可是，认为养育人类的蛋白质中有1/3依赖于合成肥料的观点则又对这些化工产品的重要性估计过低。许多人口密度高而又缺乏耕地的国家，为着它们的生存，都依赖于合成肥料。随着它们的新垦区逐渐开发殆尽，并且随着传统的农业技术达到它们的极限。这些国家的人民必须转而求助于施用更多的氮肥——即使他们的食品中只有很少一点肉食。每公顷年产蛋白质超过约100公斤的国家都属于这类国家。这类国家中包括中国、埃及，印度尼西亚、孟加拉国，巴基斯坦和菲律宾在内。

好事成了坏事

将易于反应的氮大量投人土壤和水中给环境带来了许多有害的结果。所造成的环境问题范围从地方保健卫生到全球变化，并且毫不夸张地说，这些问题从地下深处扩展到同温层高处。较高的硝酸根浓度可能会在婴儿中引发危及生命的高铁血红蛋白血症(“青紫婴儿”病)，并且从流行病角度看，它们还与某些癌症有关。在一些大量施用肥料的地区，高度可溶性硝酸盐的渗出可能会严重污染该地区的地下水和地表水，这个问题已困扰着一些农业区已有约30年之久，在美国主要玉米产区的水井中和西欧许多地区的地下水中普遍发现存在着硝酸盐的危险聚集。超过公认法定极限值的硝酸盐浓度，不仅出现于排灌农业区的许多较小的河流中，而且还发现于诸如密西西比河和莱茵河之类的大江大河中。

泄入湖泊或海湾的化肥氮常常引起水体的藻类污染，是指使水域富含某种先前缺乏的营养物的过程。因而，藻类和蓝藻细菌可能会几乎不受限制地生长；它们接踵而来的分解作用掠夺走其他生物的氧，并且使鱼类和甲壳类生物减少(或消灭殆尽)。藻类污染作用使诸如纽约州长岛海峡和加利福尼亚圣弗兰西斯科海湾长满了载氮体，而且它已使大部分波罗的海发生了改变。从昆士兰的田野流出的肥料使藻类生长过快，也对澳大利亚大堡礁的一些部分构成了威胁。

因为溶解硝酸盐能够流延很长的距离，所以产生了藻类污染这些问题，含氮化合物的持留也是很令人头疼的，因为含氮化合物会对许多可耕地土壤的酸度造成影响。(土壤还受到在燃烧期间形成的，后来又从大气中降落下来的硫化合物的酸化作用。)在人们不用石灰来抵消这种酸化倾向的地方，过量的酸化可能会导致微量营养物的损失增加并且使重金属从地上释放而进入到饮用水源中。

过量肥料并不仅仅困扰着土壤和水：氮肥使用量的日益增加，还将更多的一氧化二氮送入大气层中。一氧化二氮气体的浓度是通过细菌作用于土壤中的硝酸盐而产生的，其浓度仍相对较低，但是该化合物却参与了两种令人优虑的化学过程。一氧化二氮与受激氧原子反应对同温层中的臭氧产生破坏作用(在同温层中臭氧分子可用于滤除危险的紫外光线)；在下部的对流层中，一氧化二氮则引起过大的温室效应。一氧化二氮存在于大气层中的持续时间长达100年以上，并且它的每一个分子所吸收的逸出辐射要比一个二氧化碳分子的吸收量高出大约200倍。

可是另一种不受欢迎的大气变化由于作用于肥料氮的微生物所释放的氧化氮(一氧化一氮)而进一步加剧。氧化氮(通过燃烧大量产生)在有阳光存在的条件下，与其他污染物反应产生光化学烟雾。而大气中氮化合物的沉降则可能对某些草原牧场或森林产生有利的施肥效果，较高的沉降量又可能使敏感的生态系统不堪重负。

当人们开始利用合成氮肥时，他们无法预见到它们对环境造成的这些危害中的任何一种。令人奇怪的是，甚至现在人们对这些破坏作用的重视程度微乎其微，特别是与大气中二氧化碳的积聚相比更是显而易见。可是，与矿物质燃料中释放出的二氧化碳一样，易反应氮的大量使用也相当于一种巨大的——危险的——地球化学实验。

习惯成了自然

二氧化碳的排放，以及伴随而来的全球变暖的威胁，可通过一种经济与技术的综合解决办法加以减少。事实上，使用矿物质燃料的情况最终必然会改变，甚至这种改变并不是为了避免全球性的气候变化，因为这些有限的资源不可避免将会越来越少并且其价格将更为昂贵。可是除了氮之外，不存在可用于农作物生长——以及人体生长——的其他方法，并且也不存在等待着取代哈伯-博施合成物的代用。

遗传工程可能最终会成功地创造出能够为谷物提供氮的根瘤菌(Rhizohium)共生细菌，或直接赋予这些谷物的固氮能力。这些解决办法可能是理想的办法，但是没有哪一个会立即出现在我们面前。没有上述解决办法，在全球人口最终达到平衡之前，为了给将要出生的新增加的数十亿人口提供粮食，人类对氮肥的依赖性必然会进一步增加。

人口数量的及早稳定和普遍采用以素食为主的饮食结构，有可能减少氮的需求量。但是上述两种情况没有哪一种特别有可能出现。对于降低氮使用量增长速度的最大希望在于，发现更为有效的农作物施肥方法。当农民监测土壤中的氮含量以便使定时施肥最佳化时，则有可能出现一些激动人心的结果。但是一些全球发展趋势可能会否定在这方面所取得的任何有效的进展。特别是，在拉丁美洲和亚洲肉食产量一直在迅速增加，而这种增长速度将需要更多的氮肥，因为要生产一个单位的肉蛋白便要耗用三个或四个单位的饲料蛋白。

了解这些事实真相便会对有机农业的前途有一个更清晰的评价。轮种，豆科植物栽培，土壤保持(保持住土壤中更多的氮)以及有机废物的重复使用，全都是可以采用的最好的方法。可是这些措施并不能排除地少人多的国家使用更多的肥料氮。如果所有的农民都试图恢复纯粹的有机农业，那么他们会很快发现，传统的农业技术无法为当今的人口提供粮食。因为绝对没有足够的可重复利用的氮来为60亿人口生产粮食。

当瑞典科学院于1919年授予弗里茨·哈伯诺贝尔化学奖时，曾指出他创造了“一种提高农业生产水平和人类幸福生活的极其重要的手段”。甚至这样一种热情奔放的描述目前看起来似乎也是不够的。当今至少有20亿人的生存都与他所发明的方法有关，因为他们体内的蛋白质中的氮组分——借助于植物和动物食品——都来自于使用他的方法的工厂。

除非生物工程技术将取得某些惊人的进展，否则实际上在今后约60年间将出生的另外20亿人的生长所需要的所有蛋白质，都将来自于同一个来源——给伯=博施的氨合成法。恰好在人们的一生中，人类的确已形成了一种意义深远的化学依赖性。

〔张敏 译 巨浪 校〕