科普 | 温室效应是二氧化碳的300倍，这种气体却一直被忽略

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一氧化二氮（N₂O）也被称为笑气。它的温室效应是二氧化碳的300倍，远远高于甲烷。从农业上大量使用人工氮肥开始时，它的排放量就在迅速增加。为了降低它的影响，或许现在我们该尝试一些新的农业生产方式。

图片来源：Pixabay

一氧化二氮（N₂O）也被称为笑气。它的温室效应是二氧化碳的300倍，远远高于甲烷。从农业上大量使用人工氮肥开始时，它的排放量就在迅速增加。为了降低它的影响，或许现在我们该尝试一些新的农业生产方式。

撰文 | Ula Chrobak

翻译 | clefable

审校 | 二七

当全球努力削减温室气体排放时，人们逐渐开始关注食物生产过程中排放的温室气体。这是因为，在人为造成的温室气体排放中，农业来源占到了16%~27%。但排放的气体并非最为大家熟知的温室气体——二氧化碳，而是另一种气体：一氧化二氮（N₂O）。

“N₂O也被称为笑气，但近年来，这种气体并没有得到应有的关注。”戴维·坎特（David Kanter）说，他是纽约大学研究营养物污染的科学家，也是国际氮倡议（International Nitrogen Initiative，主要关注氮污染研究和相关的政策）组织的副主席。他表示，“N₂O是一种被遗忘的温室气体。”

相比之下，N₂O加热大气的效率是二氧化碳的300倍（比较单个分子的加热效率）。和二氧化碳一样，它也能长期存在于大气中，平均存在114年后才会分解。除此之外，它还能破坏臭氧层。总体而言，笑气对气候的影响并不是开玩笑的。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的科学家评估发现，N₂O在总温室气体排放量中占比为6%，其中3/4的N₂O排放来源于农业。

尽管N₂O对全球气候变化有着重要的影响，但在制定气候政策时，却严重忽视了N₂O的排放，而这种气体仍在大气中持续积累。2020年，一项关于N₂O源和汇的综述性研究显示，在过去40年间，N₂O的排放量增加了30%，还未超出IPCC所描述的最高潜在排放量的场景。由于全球各地大量使用氨肥，农业用地也成为了导致大量N₂O排放的罪魁祸首。

目前，科学家正在寻找多种方法来改善土壤，或者调整耕作方式，以减少N₂O的排放量。爱荷华州立大学的农业生态学家和土壤科学家迈克尔·卡斯特利亚诺（Michael Castellano）表示：“任何可能提高肥料使用效率的方法，都能带来很大的改变。”

氮循环不平衡

人类活动已经使地球上的氮循环失去了平衡。在现代农业出现之前，传统农业中的氮大多来源于植物堆积在一起腐烂而形成的堆肥、粪肥和一些固氮微生物。这些微生物能吸收N₂，并将其转变成铵盐，后者能溶于水，进而被植物的根系吸收。而在20世纪初期，哈伯-博施法的出现开辟了一条能大量制造氨肥的工业化途径。

氨肥的大量使用提高了粮食的产量，养活了更多的人口，但过剩的硝酸盐和氨也给环境带来了危害。全球每年能耗中有1%用于生产氨肥，生产过程中排放的二氧化碳约占该气体全年总排放量的1.4%（生产过程包括加热氮气到500℃左右，将其升高到400个标准大气压，这些都非常耗能）更为重要的是，在一年中，农民会分批次地在农田中施加大量的氮肥，没有被作物利用的氮肥就会成为N₂O的来源。

当植物根部无法完全用掉这些肥料时，会发生什么呢？一些肥料会从农田流出，污染水源。剩下的会被土壤中的一系列微生物利用，它们会将氨转化成亚硝酸盐和硝酸盐，最终变成氮气回到空气中。而N₂O是这个反应链中数个结点的副产物。

氮循环 图片来源：M maraviglia/维基百科

在植物需要的时候，谨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维持粮食产量的方法，这些都能降低N₂O的排放量。科学家正在寻找多种方法实现这些。目前，一种正在测试的方法是精准农业技术，该技术主要通过遥感技术来确定何时在农田的哪个区域使用多少氨肥。另一种方式是使用硝化抑制剂，这种化学物质能抑制微生物将氨转化成硝酸盐，不仅能抑制N₂O的产生，也能保持土壤中的肥力，让植物能使用更长的时间。

根据2018年奥地利国际应用系统分析研究所科学家的估计，按照目前N₂O的排放趋势，广泛采取这两种方式或能在2030年将N₂O的排放量降低26%。但他们也表示，想要满足巴黎协定设置的温室气体排放标准，还需要做出更多的努力。因此，科学家正在探索其他的方法。

改善土壤

一个选择是，利用一些特定的微生物来为植物供氮。在豌豆、花生和其他豆类等作物中，一些共生的固氮细菌能栖息在作物根部，为其提供氮。“这些细菌确实是居住在土地里的金子，”伊赛·萨拉斯-冈萨雷斯（Isai Salas-González）说，他是《2020年微生物学年度评论》发表的一篇关于植物微生物文章的作者，也是一位计算生物学家，最近在北卡罗来纳大学教堂山分校获得了博士学位。

在这一方面，Pivot Bio公司从2019年开始就在销售一种颇有成效的微生物产品：当在播种玉米的犁沟中放入含有细菌的接种剂后，细菌会与作物的根部形成共生关系。（这家公司计划发布一些类似的产品，用于种植高粱、小麦、大麦和水稻）Pivot Bio的首席执行官卡斯滕•泰姆（Karsten Temme）表示，这些微生物会持续地给植物供氮，以换取植物泄漏的糖，这减少了植物对合成肥料的需求。

泰姆说公司的科学家正在开发一种含有单一细菌Kosakonia sacchari的接种剂，该细菌的基因组中含有固氮基因。虽然目前并不了解这些固氮基因是否能在农田环境中发挥作用，但通过基因编辑，科学家能重新激活细菌中的18个基因，这样即使没有合成肥料，细菌也能产生多种固氮酶为植物提供氮。泰姆说，“我们能诱导细菌产生这种酶。”

农田（图片来源：Pixabay）

史蒂文·哈勒（Steven Hall）是爱荷华州立大学的生物地球化学家，他正在用垃圾桶大小的容器种植玉米，以测试这种产品的效果。研究人员将接种剂与不同重量的合成肥料混合施加到土壤中，并测量玉米的产量和N₂O的排放量，以及有多少硝酸盐从容器底部渗出。虽然测试目前还没完成，但哈勒表示，初始结果显示微生物能减少肥料的用量，进而减少N₂O的排放量。

不用耕作的农田

但是，一些土壤科学家和微生物学家有点怀疑微生物是否能快速恢复土壤的肥力。圭尔夫大学环境微生物学的博士生托吕·马法-阿托耶（Tolu Mafa-Attoye）表示，类似的“生物肥料”也有好有坏，这主要取决于这些微生物施用的土壤和环境。例如，在一块小麦田的实验中，给作物接种有益的微生物能促进植物生长，但只能略微提高产量。

“与其添加一种微生物，更有意义的做法或许是刺激原本就存在于植物根部的、理想的微生物生长。”英国蒂赛德大学的微生物学家卡洛琳·奥尔（Caroline Orr）说。她已经发现减少农药使用，能让作物根部拥有更多的微生物种群以及更好的自然固氮能力。除此之外，N₂O的产量会受到碳、氧和氮可获取度的影响，而这些又会受到肥料使用、灌溉和耕作的影响。

以耕作为例，一篇研究了200多项研究的分析报告发现，在农民停止和减少设备耕作后最初10年里，N₂O的排放量会增加，随后开始降低。该分析报告的作者之一、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，这是因为经过多年的设备耕作后，土壤一开始会进入高度压实的状态。但随着时间的推移，不受干扰的土壤形成了饼干屑一样的结构，允许更多的空气流入。在富氧环境中，微生物产生的N₂O更少。这种免耕系统还能储存更多的碳，因为耕作较少能减少有机碳向二氧化碳转化，能产生额外有益的气候效益。

这甚至有可能帮助农民在保持农作物产量的同时，节省化肥和水资源的成本，减少排放。在研究加州中央谷的番茄农场时，西克斯发现减少耕作，通过滴灌系统缓慢向植物渗透氮等养分，能将一氧化二氮的排放量降低70%（相比传统的土地管理方式）。

在密苏里州，农民安德鲁·麦克雷（Andrew McCrea）用免耕方法种植了2000英亩（约809公顷）的玉米和大豆。今年，他计划减少肥料的使用，看看Pivot Bio的接种剂是否能让他的产量大体保持不变。他说：“我认为所有的农民都很关心土壤。如果我们能削减成本，那也真的是太好了。”

纽约大学的坎特说，如果政策制定者能关注N₂O，我们所有人都会受益。尤其是相比其他应对气候变化的措施，降低N₂O的排放可能会更迅速、更容易实现。同样，降低N₂O排放也会减少当地的空气和水污染以及生物多样性的损失。坎特说:“这些是人们在几年内就能看到和感受到的东西，而不需要经过数十年或数个世纪。”

原文链接：

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

来源 | 环球科学微信公众号

编辑 | 匡宋尧

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