在修复

数十亿人欠他们的生活能力获取氮从空气中进入我们的作物。但可以有太多的好事,基拉Weissman报告

无论你是植物还是动物,饱餐包括适量的氮。然而,地球上最氮,至今仍被关在大气二氮(N₂),其中没有一个可以使用更高的生物来帮助他们成长。这样做的原因是强大的三键把两个原子结合在一起,呈现N₂顽固的稳定。氮时只能维持生命转化为活性形式如氨(NH₃)或硝酸盐(NO₃^{- - - - - -}),使其成为限制植物生长的养分在许多当地的生态系统。为了提高作物产量,农民一直受精他们的土地和各种形式的预先激活氮,包括鸟类粪便、动物粪便和硝石(硝酸钾)。

到19世纪末,喂养16亿人基本上耗尽这些天然肥料。随着大规模饥荒的临近,威廉爵士克鲁克斯,总统的英国科学促进协会,告诫化学家氮来解决这个困境。和两个德国科学家,弗里茨·哈伯(德国和卡尔·博世,回答克鲁克斯的电话。哈伯在1908年发明了一种人为的“修复”大气分子氮转化成氨用高温的联合效应(约500 ? C)、压力(约200 atm),和一个铁氧化物催化剂诱导的N次方₂与氢气反应(H₂)。是留给博世扩大工业生产的合成。

发明改变世界的,它的开发者诺贝尔奖(1918年,1931年博世Haber)。但就像罗马两面神,神的过程有两个对立的脸。大多数Haber-Bosch氨最终在化肥,几乎一半的人类提供食物。¹事实上,由于哈伯和博世,能力养活世界再也不会受到氮限制。然而作为炸药的原材料,活性氮在全球引发了冲突。和证据越来越多这些额外的氮的另一个可怕的后果:全球氮循环的失衡,环境和人类健康构成威胁。²

打破这个循环

人类历史上的大部分时间里,氮循环一直抑制活性氮的数量在生物圈(见框)。但这改变了过去几十年,随着我们加大使用大气N₂。人类活动是现在估计创建190 teragrams (teragram =一百万吨)每年的活性氮。把这个上下文,所有的自然地面流程修复100 teragrams相结合。所以在全球范围内,人类创造的两倍活性氮的自然系统,”詹姆斯·洛韦解释说,弗吉尼亚大学环境科学的教授。

只有125 teragrams这个额外的氮产生的,哈勃-博施方法。几个世纪以来,人们已经知道如果豆类是种植在一个字段,下一批做更好。Galloway估计,这一策略使用豆类“泵”进入土壤氮占一个额外的40 teragrams每年固定氮。进一步25 teragrams来自化石燃料。燃烧这些古老的材料在高温高压将有机氮燃料,以及N₂在燃烧室,氮氧化物(NO_x)。这些分子可以旅行几千英里之前返回地球是酸雨。

自然养分循环是最不平衡的地区,农业、工业和化石燃料的消耗重叠,如欧洲和北美。但与肥料和能源使用增加在发展中国家,尤其是中国和印度,氮过载正迅速成为一个全球性问题,威廉•鲍曼说生态学和进化生物学教授,科罗拉多大学的我们。问题在于,尽管生态系统可以吸收一些额外的通过增加植物生物量和氮的脱氮率,他们最终达到饱和,出血过量氮到周围的土壤,空气和水。每个分子过剩的氮损失的环境可以有一系列的联系,负面影响——这种现象加和他的同事们戏称为“氮级联”。

因为没有_x在低层大气(对流层)、氮促进形成光化学烟雾,臭氧的有毒混合物(O₃)和颗粒物。地势低洼的啊₃诱发呼吸道疾病,包括反应性呼吸道疾病和哮喘,而细颗粒与心血管疾病和死亡率增加有关。⁵扫到土壤在酸雨、氮酸化半自然,nitrogen-limited森林和草原等生态系统。酸化发生直接通过代过剩质子,鲍曼说,但也间接地通过提高土壤阳离子的损失,作为缓冲。“有毒离子如铝和铁逐渐取代至关重要的植物营养,比如钙,镁,钾和钠⁶——导致生育率下降和杂草物种入侵。这个物种可以通过食物链传播转变,改变整个生态系统的结构。对生物多样性产生的负面影响是明显的在荷兰,报告的简·威廉·埃里森曼荷兰能源研究中心,氮沉积率一直在世界上最高的之一。草原曾经拥有六十物种现在只有两个,他说。

多余的氮也可以使其进入水道,土壤酸度提高硝酸浸出到表面和地面水域。⁷喝被污染的水,鲍曼说,有关高铁血红蛋白症或“蓝婴综合症”,氧气的条件不是有效的血液中运输。当氮进行旅程进入湿地,池塘和湖泊营养over-enrichment(“富营养化”)引起植物生长的疯狂,和海藻。藻类死亡时,他们被微生物,使用过程中至关重要的氧气。如果氮输入继续下去,所有的生物都不能游泳了最终会窒息。

向海岸的河流,河口地区活性氮最终目标,比如海湾和声音,可引起缺氧的“死区”——地区水域底部太贫氧支持大多数海洋生物——这可能延长了数千平方英里的河网点。一个死区可以声称成千上万吨的海洋生物,抢劫商业渔业的数百万美元。最近一次统计研究人员已经发现了超过400世界上的这些地区,⁸而且这个数字还在不断增加,报告鲍曼。

甚至开放海域不受人为氮的影响。事实上,罗伯特首领的德克萨斯A&M大学的海洋和大气科学部门和同事,估计,空气中的氮沉积目前负责大约有3%的新海洋生物在这些地区。³这听起来像是个好事,因为为了建立这些生物,海洋吸收10%的人为有限公司₂,一个臭名昭著的温室气体。然而,三分之二的减少可能抵消更大的释放回大气中氮的形式一氧化二氮(N₂O),它是300倍的温室气体比有限公司₂。

这个毁灭性的级联可以持续几年甚至几个世纪,直到活性氮达到的环境中可能发生反硝化作用,而且它重返大气层二氮,Galloway说。和氮循环的影响并不局限于,作为活性氮与地球的碳循环,现在公认的全球气候变化的主要驱动力在过去的世纪。⁹

氮的未来

随着地球人口预计将达到9到100亿在未来几十年,我们只创建固定氮有望加速。我们能生产足够的粮食和能源管理支持我们不断增长的人口,没有进一步破坏环境和我们的健康吗?

环境科学家主张一个三管齐下的方法来解决这个问题:减少活性氮的创建,提高它的效率,并转换回大气分子氮。⁴第一目标,加洛韦坚持认为,化石燃料应该是:“如果你不形成活性氮在燃烧,它不能导致氮级联。这是显而易见的。最小化的诀窍_x排放已经到位,他说,这只是一个执行在公共政策层面的问题。每年节省这里可能18 teragrams。⁴

由于没有代替固定氮在农业,然而,其目的是提高效率。Galloway计算,虽然我们把140 teragrams氮素转化为食品生产,地球人口可以与13,如果我们可以使用创建的活性氮效率为100%。换句话说,我们每年创造约一个数量级的氮比我们所需要的。问题的根源是氮素转化为植物和动物是一个低效的过程:“当一个人坐下吃猪排,”加洛韦解释说,“只有20%的氮用于制造食物实际上进入的人,而另外80%是失去了在生产过程中,使饲料,使动物屠宰动物,和猪排。·埃里森曼说,增加这是化肥的刻意控制应用程序:“农民习惯于非常便宜的肥料,所以他们把它作为一种保险形式。如果你穿上足够的肥料,确保最优的产量。”

因此,氮效率的巨大收益可以通过简单的氮管理策略:调整特定作物肥料成分和数量和时间的应用,优化饲料,回收氮家畜排泄回系统通过使用粪便作为肥料。这些建议荷兰实测1998矿产会计系统,这给农民提供了定制受精计划,减少氮的损失,优化使用。结果,根据·埃里森曼,在化肥消费减少40%,作物产量下降的主要因素。如果实现在世界范围内,这种方法可以减少每年30 teragrams活性氮的需求。⁴

的一个主要障碍把这些补丁在大范围内采取行动,许多人根本没有意识到我们的活性氮的麻烦。幸运的是,越来越多的科学组织联合向政府的威胁。例如,欧洲科学基金会的氮在欧洲项目的目标是,到2011年,为决策者提供一个文档被称为欧洲氮评估,包含一个全面的账户的欧洲氮问题和提供长期的解决方案。在美国本土,美国环境保护署已加大力度控制氮污染,主要是为工业东越多,鲍曼报告。目前已经有一些令人鼓舞的迹象,政客们聆听:公约长范围,跨国界空气污染,51岁的成员包括欧洲、美国和加拿大,最近成立了一个工作组来处理活性氮的问题。

科学家也针对最终消费者。例如,加洛韦·埃里森曼和他的同事正在开发一个基于web的氮足迹模型称为N-Print,氮的碳足迹。根据人们的能源和食品消费模式在他们住的地方,该计划将告诉他们不仅氮他们使用多少,但多少对环境失去了。希望通过武装的公共信息,个人将开始减少他们的影响。根据洛韦,甚至小的改变就能改变:降低能耗在家里,很少旅行,少吃肉(特别是牛肉)和更多的蔬菜。

行动是急需的。一个世纪从哈伯的发现,科学家们越来越认识到,同一活性氮结束人类的粮食危机是引发大规模的环境灾难。只有时间会告诉我们是否可以用新的匹配Haber的聪明才智,改变世界的发明,使我们成长和维持人类生活在不牺牲
我们的环境。