“笑氣” 怎樣影響全球變暖？
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N2O 就是我們熟知的 “笑氣”，紐約大學(xué)營養(yǎng)物污染研究員、國際氮倡議（International Nitrogen Initiative）（關(guān)注氮污染研究及政策制定的一個(gè)組織）的副主席戴維·坎特（David Kanter）認(rèn)為，它遠(yuǎn)未受到應(yīng)有的重視。他說，“這種溫室氣體常常被忘掉?！?然而，以分子為單位，N2O在加熱大氣方面的效力大約是二氧化碳的300倍。
和二氧化碳一樣，它的 “壽命” 很長，在分解之前在空中可平均停留114年。它還能損耗臭氧層?？傊?，笑氣對氣候的影響不容小覷。IPCC的科學(xué)家們估計(jì)，N2O約占溫室氣體排放量的6%，并且其中約四分之三的N2O排放來自農(nóng)業(yè)。
盡管N2O對氣候變化有著重要影響，但政策制定者尚未直接處理N2O排放問題。N2O仍在不斷累積。2020年一項(xiàng)對一氧化二氮源與匯的回顧發(fā)現(xiàn)，過去40年中，N2O的排放量增加了30%，差點(diǎn)超出IPCC的最高可能排放場景。罪魁禍?zhǔn)资寝r(nóng)用地土壤——尤其是因?yàn)槿虼罅康厥褂煤铣傻省?/span>
如今，為了減少N2O的產(chǎn)生，科學(xué)家們正在嘗試各種處理土壤或調(diào)整耕作的方式。
愛荷華州立大學(xué)（Iowa State University）的農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家和土壤科學(xué)家邁克爾·卡斯特拉諾（Michael Castellano）說：“任何可以提高肥料利用率的措施都會(huì)有很大幫助?！?/span>
合成肥料的大量應(yīng)用提高了作物產(chǎn)量，養(yǎng)活了全球居民。但過剩的硝酸鹽和銨也會(huì)對環(huán)境造成影響。氨肥生產(chǎn)約占全球能源使用量的 1%，二氧化碳排放量的1.4%（該過程需要加熱氮?dú)獠⑹蛊涑惺芨哌_(dá)400個(gè)大氣壓的壓力，因此非常耗能）。更關(guān)鍵的是，化肥會(huì)導(dǎo)致一氧化二氮排放量增加，因?yàn)檗r(nóng)民往往在一年中幾次大批量地施用氮肥，而無法被農(nóng)作物完全吸收掉。
如果這些肥料無法被植物根部完全吸收，其中一些就會(huì)流失到田間并污染水道。剩下的被一系列土壤微生物吸收，這些微生物將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后是硝酸鹽，最后再轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。在此過程中，幾個(gè)環(huán)節(jié)都可產(chǎn)生副產(chǎn)品N2O。
過量的肥料會(huì)帶來污染，包括生成一氧化二氮。 肥料可由銨基或硝酸基構(gòu)成，當(dāng)植物根部沒有吸收所有養(yǎng)分時(shí)，剩余的肥料會(huì)經(jīng)歷一系列微生物調(diào)控的轉(zhuǎn)化。 最終，大部分氮元素以氮?dú)?span style="color: rgb(136, 136, 136);letter-spacing: 1px;">（N2）的形式，小部分以N2O（一種強(qiáng)效溫室氣體）的形式重歸大氣。
想要減少N2O的排放，可以謹(jǐn)慎地按作物所需配給肥料，或者找到能夠保產(chǎn)節(jié)肥的辦法。為此，科學(xué)家正在努力嘗試各種辦法。當(dāng)下的一種研究策略是利用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，利用遙感技術(shù)來確定在何時(shí)何地該向田地添加氮，以及應(yīng)該添加多少。另一種方法是，使用硝化抑制劑——抑制微生物將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，以此阻斷N2O的生成，并將氮保留在土壤中，供植物在更長的時(shí)間內(nèi)使用。
根據(jù)奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis）的研究人員2018年的估算，到2030年，如果廣泛采用這兩種做法，一氧化二氮的排放量將比按目前的方式減少約 26%。但作者表示，要助力實(shí)現(xiàn)巴黎氣候協(xié)議中規(guī)定的溫室氣體目標(biāo)的話，這些還不夠。因此，科學(xué)家們還在探索其他策略。
一種可能的方法是利用某些微生物的潛力直接向植物供應(yīng)氮，就像固氮細(xì)菌與豆類、花生和其他豆科植物的合作那樣。 “土壤中確實(shí)有一座金礦，”伊賽·薩拉斯-岡撒雷斯（Isai Salas-González）說，他是2020年《微生物學(xué)年鑒》（Annual Review of Microbiology）中一篇有關(guān)植物微生物組的文章的作者之一，一位最近剛在北卡羅來納大學(xué)教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）完成博士學(xué)位的計(jì)算生物學(xué)家。
順著這個(gè)思路，自2019年以來，Pivot Bio 公司推出了一種名為 Pivot Bio Proven 的微生物產(chǎn)品。據(jù)稱，在種植玉米種子的犁溝中倒入接種劑后，該產(chǎn)品與作物的根部會(huì)形成共生關(guān)系。（針對高粱、小麥、大麥和大米，該公司也計(jì)劃推出類似的產(chǎn)品）微生物每次 “喂食” 植物一點(diǎn)氮，以換取植物滲出的糖分，從而減少對合成肥料的需求，Pivot Bio 的CEO卡斯滕·泰米（Karsten Temme）說道。
泰米說，公司的科學(xué)家們通過分離基因組中已經(jīng)具有固氮能力的 Kosakonia sacchari 菌株，來制造這種接種劑。盡管在田間條件下，這些基因原本并不活躍。但通過基因編輯技術(shù)，科學(xué)家們能夠重新激活一組18個(gè)基因，這樣一來，即使在合成肥料存在的情況下，固氮酶也能被合成。 “通過我們的 ‘誘導(dǎo)’，它們開始合成這種酶，” 泰米說。
愛荷華州立大學(xué)的生物地球化學(xué)家史蒂文·霍爾（Steven Hall）目前在用大型的、垃圾箱大小的容器測試該產(chǎn)品。玉米被種植于容器之中，研究人員將接種劑與不同劑量的合成肥料一起施用于土壤，然后測量玉米產(chǎn)量、一氧化二氮的產(chǎn)量以及從容器底部滲出的硝酸鹽量。盡管試驗(yàn)結(jié)果尚未出爐，但霍爾表示，對于 “微生物減少了對肥料的需求，從而能夠減少一氧化二氮排放” 這一假設(shè)，已有了 “良好的初步結(jié)果支持”。
不過對于這種微生物參與的快捷解決方案，一些土壤科學(xué)家和微生物學(xué)家持懷疑態(tài)度。加拿大圭爾夫大學(xué)（University of Guelph）環(huán)境微生物學(xué)研究生圖魯·瑪法-阿托耶（ Tolu Mafa-Attoye）說，像這樣的 “生物肥料” 有著不同的成功率，這取決于所應(yīng)用于的土壤和環(huán)境。
例如，在一項(xiàng)小麥的田間研究中，接種了有益微生物后，植物的生長加快，但產(chǎn)量只是略有增加。還有很多未知數(shù)——正如瑪法-阿托耶的圭爾夫同事們于2月在《可持續(xù)食品系統(tǒng)前沿》（Frontiers in Sustainable Food Systems）中所寫的，例如微生物是否會(huì)對土壤生態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響，又或者是否會(huì)被土著微生物擊敗。
英國蒂賽德大學(xué)（Teesside University）的微生物學(xué)家卡羅琳·奧爾（ Caroline Orr ）說，與其添加新的微生物，不如促進(jìn)土壤中已有的所需微生物生長。她發(fā)現(xiàn)，減少殺蟲劑的使用會(huì)帶來更加多樣化的微生物群落以及更多的自然固氮。此外，一氧化二氮的產(chǎn)生受碳、氧和氮的影響——而這些都受到肥料使用、灌溉和耕作的影響。
以耕作為例，一項(xiàng)對200多項(xiàng)研究的分析發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)民停止或減少耕地后的前10年，一氧化二氮的排放量增加；但在此之后，排放量下降。 該分析的作者之一、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家約翰·西克斯（ Johan Six）認(rèn)為，這是因?yàn)樵诙嗄甑臋C(jī)械碾壓后，土壤一開始處于高度壓實(shí)的狀態(tài)。
然而，隨著時(shí)間的推移，未受干擾的土壤會(huì)形成餅干屑狀的結(jié)構(gòu)，允許更多的空氣流入。在高氧氣濃度的環(huán)境中，微生物產(chǎn)生的一氧化二氮會(huì)減少。這種免耕系統(tǒng)還會(huì)帶來更多的碳儲(chǔ)存，因?yàn)楦鳒p少就意味著有機(jī)碳向二氧化碳的轉(zhuǎn)化減少，這一點(diǎn)算是額外的氣候效益。
農(nóng)民甚至還能在保持產(chǎn)量的同時(shí)節(jié)省肥料和水的費(fèi)用，且減少排放。 在對加利福尼亞州中央山谷（Central Valley）的番茄農(nóng)場的研究中，研究者減少在試驗(yàn)地上耕作，并采用滴灌系統(tǒng)緩慢地向植物滲入氮（以此減少土壤中匯集的養(yǎng)分）。西克斯發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)管理方式相比，這樣使得N2O排放量降低了70% 。開展這樣實(shí)踐的農(nóng)民也會(huì)通過該州的總量管制和交易計(jì)劃（cap-and-trade program）獲得溫室氣體減排的補(bǔ)償。西克斯說，有了正確的激勵(lì)措施，說服農(nóng)民減少排放可能并不那么難。
在美國密蘇里州，農(nóng)民安德魯·麥克雷（Andrew McCrea）用免耕法種植了2000英畝的玉米和大豆。今年，他計(jì)劃減少肥料的使用，看看 Pivot Bio 接種劑是否能讓原有產(chǎn)量基本不變。 “我覺得所有農(nóng)民都在乎土壤，” 他說。 “如果我們能削減成本，那當(dāng)然更好了?！?/span>
紐約大學(xué)的坎特說，如果政策制定者開始著手解決一氧化二氮問題，我們所有人都會(huì)連帶著受益。其中一些改變可能比解決氣候變化更迅速、更切實(shí)。降低N2O濃度的措施同樣也會(huì)減少當(dāng)?shù)氐目諝夂退廴疽约吧锒鄻有缘膯适А?/span> “這些變化是立竿見影的，” 坎特說，“在幾年內(nèi)，人們就能看到并感受到，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不需要幾十年或幾個(gè)世紀(jì)?！?nbsp;
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