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“笑气” 怎样影响全球变暖?

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撰文|Ula Chrobak
 
翻译|于茗骞
 
责编 | 王一苇
 
 
为了应对气候变化,政府和行业都在想办法减少温室气体的排放。与此同时,农业生产成为人们关注的焦点。原因不难发现:根据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的数据,人类造成的气候变暖气体排放量的16%至27%都与农业有关。不过,这些排放量中的大部分,并不是我们熟悉的气候变暖 “元凶” 二氧化碳,而完全是另一种气体:一氧化二氮(N2O)。
 
N2O 就是我们熟知的 “笑气”,纽约大学营养物污染研究员、国际氮倡议(International Nitrogen Initiative,关注氮污染研究及政策制定的一个组织)的副主席戴维·坎特(David Kanter)认为,它远未受到应有的重视。他说,“这种温室气体常常被忘掉。” 然而,以分子为单位,N2O在加热大气方面的效力大约是二氧化碳的300倍。
 
和二氧化碳一样,它的 “寿命” 很长,在分解之前在空中可平均停留114年。它还能损耗臭氧层。总之,笑气对气候的影响不容小觑。IPCC的科学家们估计,N2O约占温室气体排放量的6%,并且其中约四分之三的N2O排放来自农业。
 
尽管N2O对气候变化有着重要影响,但政策制定者尚未直接处理N2O排放问题。N2O仍在不断累积。2020年一项对N2O源与汇的回顾发现,过去40年中,N2O的排放量增加了30%,差点超出IPCC的最高可能排放场景。罪魁祸首是农用地土壤——尤其是因为全球大量地使用合成氮肥。
 
如今,为了减少N2O的产生,科学家们正在尝试各种处理土壤或调整耕作的方式。
 
爱荷华州立大学(Iowa State University)的农业生态学家和土壤科学家迈克尔·卡斯特拉诺(Michael Castellano)说:“任何可以提高肥料利用率的措施都会有很大帮助。”
 
失衡的氮循环
 
在人类活动的影响下,地球的氮循环已失去平衡。在现代农业兴起之前,农场中大多数植物可利用的氮来自堆肥、粪便和固氮微生物,它们吸收氮气(N2)并将其转化为铵,一种植物根部能吸收的可溶性营养物质。而这一切在1900年代初期随着哈伯-博世工艺(Haber-Bosch Process)的登场而发生了改变,这一工艺使得以工业规模大量生产氨肥成为可能。
 
合成肥料的大量应用提高了作物产量,养活了全球居民。但过剩的硝酸盐和铵也会对环境造成影响。氨肥生产约占全球能源使用量的 1%,二氧化碳排放量的1.4%(该过程需要加热氮气并使其承受高达400个大气压的压力,因此非常耗能)。更关键的是,化肥会导致N2O排放量增加,因为农民往往在一年中几次大批量地施用氮肥,而无法被农作物完全吸收掉。
 
如果这些肥料无法被植物根部完全吸收,其中一些就会流失到田间并污染水道。剩下的被一系列土壤微生物吸收,这些微生物将氨转化为亚硝酸盐,然后是硝酸盐,最后再转化为氮气。在此过程中,几个环节都可产生副产品N2O。
过量的肥料如何产生N2O | 图源:E.VERHOEVEN ET AL/CALIFORNIA AFRICULTURE 2017
 
过量的肥料会带来污染,包括生成N2O。 肥料可由铵基或硝酸基构成,当植物根部没有吸收所有养分时,剩余的肥料会经历一系列微生物调控的转化。 最终,大部分氮元素以氮气(N2)的形式,小部分以N2O(一种强效温室气体)的形式重归大气。
 
想要减少N2O的排放,可以谨慎地按作物所需配给肥料,或者找到能够保产节肥的办法。为此,科学家正在努力尝试各种办法。当下的一种研究策略是利用精准农业技术,利用遥感技术来确定在何时何地该向田地添加氮,以及应该添加多少。另一种方法是,使用硝化抑制剂——抑制微生物将氨态氮转化为硝态氮的反应的化学物质,以此阻断N2O的生成,并将氮保留在土壤中,供植物在更长的时间内使用。
 
根据奥地利国际应用系统分析研究所(International Institute for Applied Systems Analysis)的研究人员2018年的估算,到2030年,如果广泛采用这两种做法,N2O的排放量将比按目前的方式减少约 26%。但研究人员表示,要助力实现巴黎气候协议中规定的温室气体目标的话,这些还不够。因此,科学家们还在探索其他策略。
 
一种可能的方法是利用某些微生物的潜力直接向植物供应氮,就像固氮细菌与豆类、花生和其他豆科植物的合作那样。 “土壤中确实有一座金矿,”伊赛·萨拉斯-冈撒雷斯(Isai Salas-González)说,他是2020年《微生物学年鉴》(Annual Review of Microbiology)中一篇有关植物微生物组的文章作者之一,也是最近刚在北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)完成博士学位的计算生物学家。
 
顺着这个思路,自2019年以来,Pivot Bio 公司推出了一种名为 Pivot Bio Proven 的微生物产品。据称,在种植玉米种子的犁沟中倒入接种剂后,该产品与作物的根部会形成共生关系。(针对高粱、小麦、大麦和大米,该公司也计划推出类似的产品)微生物每次 “喂食” 植物一点氮,以换取植物渗出的糖分,从而减少对合成肥料的需求,Pivot Bio 的CEO卡斯滕·泰米(Karsten Temme)说道。
 
泰米说,公司的科学家们通过分离基因组中已经具有固氮能力的 Kosakonia sacchari 菌株,来制造这种接种剂。尽管在田间条件下,这些基因原本并不活跃。但通过基因编辑技术,科学家们能够重新激活一组18个基因,这样一来,即使在合成肥料存在的情况下,固氮酶也能被合成。 “通过我们的 ‘诱导’,它们开始合成这种酶,” 泰米说。
 
爱荷华州立大学的生物地球化学家史蒂文·霍尔(Steven Hall)目前在用大型的、垃圾箱大小的容器测试该产品。玉米被种植于容器之中,研究人员将接种剂与不同剂量的合成肥料一起施用于土壤,然后测量玉米产量、N2O的产量以及从容器底部渗出的硝酸盐量。尽管试验结果尚未出炉,但霍尔表示,对于 “微生物减少了对肥料的需求,从而能够减少N2O排放” 这一假设,已有了 “良好的初步结果支持”。
爱荷华州立大学一位正在工作的研究人员。为了测量N2O的释放量,科学家们使用封闭式箱来汇集土壤排放物,然后从中提取样本 | 图源:CREDIT: COURTESY OF PIVOT BIO
 
不过对于这种微生物参与的快捷解决方案,一些土壤科学家和微生物学家持怀疑态度。加拿大圭尔夫大学(University of Guelph)环境微生物学研究生图鲁·玛法-阿托耶( Tolu Mafa-Attoye)说,像这样的 “生物肥料” 有着不同的成功率,这取决于所应用于的土壤和环境。
 
例如,在一项小麦的田间研究中,接种了有益微生物后,植物的生长加快,但产量只是略有增加。还有很多未知数——正如玛法-阿托耶的圭尔夫同事们于2月在《可持续食品系统前沿》(Frontiers in Sustainable Food Systems)中所写的,例如微生物是否会对土壤生态产生负面影响,又或者是否会被土著微生物击败。
 
英国蒂赛德大学(Teesside University)的微生物学家卡罗琳·奥尔( Caroline Orr )说,与其添加新的微生物,不如促进土壤中已有的所需微生物生长。她发现,减少杀虫剂的使用会带来更加多样化的微生物群落以及更多的自然固氮。此外,N2O的产生受碳、氧和氮的影响——而这些都受到肥料使用、灌溉和耕作的影响。
 
以耕作为例,一项对200多项研究的分析发现,在农民停止或减少耕地后的前10年,N2O的排放量增加;但在此之后,排放量下降。 该分析的作者之一、瑞士苏黎世联邦理工学院的农业生态学家约翰·西克斯( Johan Six)认为,这是因为在多年的机械碾压后,土壤一开始处于高度压实的状态。
 
然而,随着时间的推移,未受干扰的土壤会形成饼干屑状的结构,允许更多的空气流入。在高氧气浓度的环境中,微生物产生的N2O会减少。这种免耕系统还会带来更多的碳储存,因为耕作减少就意味着有机碳向二氧化碳的转化减少,这一点算是额外的气候效益。
 
农民甚至还能在保持产量的同时节省肥料和水的费用,且减少排放。 在对加利福尼亚州中央山谷(Central Valley)的番茄农场的研究中,研究者减少在试验地上耕作,并采用滴灌系统缓慢地向植物渗入氮(以此减少土壤中汇集的养分)。西克斯发现,与传统管理方式相比,这样使得N2O排放量降低了70% 。开展这样实践的农民也会通过该州的总量管制和交易计划(cap-and-trade program)获得温室气体减排的补偿。西克斯说,有了正确的激励措施,说服农民减少排放可能并不那么难。
 
在美国密苏里州,农民安德鲁·麦克雷(Andrew McCrea)用免耕法种植了2000英亩的玉米和大豆。今年,他计划减少肥料的使用,看看 Pivot Bio 接种剂是否能让原有产量基本不变。 “我觉得所有农民都在乎土壤,” 他说,“如果我们能削减成本,那当然更好了。”
 
纽约大学的坎特说,如果政策制定者开始着手解决N2O问题,我们所有人都会连带着受益。其中一些改变可能比解决气候变化更迅速、更切实。降低N2O浓度的措施同样也会减少当地的空气和水污染以及生物多样性的丧失。 “这些变化是立竿见影的,” 坎特说,“在几年内,人们就能看到并感受到,远远不需要几十年或几个世纪。”
 
版权声明
 
本文授权翻译自Annual Reviews 旗下杂志 Knowable Magazine,点击文末阅读原文可订阅其英文通讯。Annual Reviews 是一家致力于向科研工作者们提供高度概括、综合信息的非营利性机构,且专注于出版综述期刊。
 
原文标题 “Fighting climate change means taking laughing gas seriously”,作者Ula Chrobak,发布于2021.5.14 Knowable Magazine。
 
原文链接:
 
https://knowablemagazine.org/article/food-environment/2021/nitrous-oxide-greenhouse-gas-agriculture



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