“笑氣” 怎樣影響全球變暖？
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N2O 就是我們熟知的 “笑氣”，紐約大學營養(yǎng)物污染研究員、國際氮倡議（International Nitrogen Initiative）（關注氮污染研究及政策制定的一個組織）的副主席戴維·坎特（David Kanter）認為，它遠未受到應有的重視。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的科學家們估計，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%，差點超出IPCC的最高可能排放場景。罪魁禍首是農(nóng)用地土壤——尤其是因為全球大量地使用合成氮肥。
如今，為了減少N2O的產(chǎn)生，科學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（Iowa State University）的農(nóng)業(yè)生態(tài)學家和土壤科學家邁克爾·卡斯特拉諾（Michael Castellano）說：“任何可以提高肥料利用率的措施都會有很大幫助。”
合成肥料的大量應用提高了作物產(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%（該過程需要加熱氮氣并使其承受高達400個大氣壓的壓力，因此非常耗能）。更關鍵的是，化肥會導致一氧化二氮排放量增加，因為農(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)化為氮氣。在此過程中，幾個環(huán)節(jié)都可產(chǎn)生副產(chǎn)品N2O。
過量的肥料會帶來污染，包括生成一氧化二氮。 肥料可由銨基或硝酸基構(gòu)成，當植物根部沒有吸收所有養(yǎng)分時，剩余的肥料會經(jīng)歷一系列微生物調(diào)控的轉(zhuǎn)化。 最終，大部分氮元素以氮氣（N2）的形式，小部分以N2O（一種強效溫室氣體）的形式重歸大氣。
想要減少N2O的排放，可以謹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，科學家正在努力嘗試各種辦法。當下的一種研究策略是利用精準農(nóng)業(yè)技術，利用遙感技術來確定在何時何地該向田地添加氮，以及應該添加多少。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)氮的反應的化學物質(zhì)，以此阻斷N2O的生成，并將氮保留在土壤中，供植物在更長的時間內(nèi)使用。
根據(jù)奧地利國際應用系統(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，要助力實現(xiàn)巴黎氣候協(xié)議中規(guī)定的溫室氣體目標的話，這些還不夠。因此，科學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氮，就像固氮細菌與豆類、花生和其他豆科植物的合作那樣。 “土壤中確實有一座金礦，”伊賽·薩拉斯-岡撒雷斯（Isai Salas-González）說，他是2020年《微生物學年鑒》（Annual Review of Microbiology）中一篇有關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教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）完成博士學位的計算生物學家。
順著這個思路，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)品與作物的根部會形成共生關系。（針對高粱、小麥、大麥和大米，該公司也計劃推出類似的產(chǎn)品）微生物每次 “喂食” 植物一點氮，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，科學家們能夠重新激活一組18個基因，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’，它們開始合成這種酶，” 泰米說。
愛荷華州立大學的生物地球化學家史蒂文·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，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，一些土壤科學家和微生物學家持懷疑態(tài)度。加拿大圭爾夫大學（University of Guelph）環(huán)境微生物學研究生圖魯·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，這取決于所應用于的土壤和環(huán)境。
例如，在一項小麥的田間研究中，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，例如微生物是否會對土壤生態(tài)產(chǎn)生負面影響，又或者是否會被土著微生物擊敗。
英國蒂賽德大學（Teesside University）的微生物學家卡羅琳·奧爾（ Caroline Orr ）說，與其添加新的微生物，不如促進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，一項對200多項研究的分析發(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)邦理工學院的農(nóng)業(yè)生態(tài)學家約翰·西克斯（ Johan Six）認為，這是因為在多年的機械碾壓后，土壤一開始處于高度壓實的狀態(tài)。
然而，隨著時間的推移，未受干擾的土壤會形成餅干屑狀的結(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)生的一氧化二氮會減少。這種免耕系統(tǒng)還會帶來更多的碳儲存，因為耕作減少就意味著有機碳向二氧化碳的轉(zhuǎn)化減少，這一點算是額外的氣候效益。
農(nóng)民甚至還能在保持產(chǎn)量的同時節(jié)省肥料和水的費用，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% 。開展這樣實踐的農(nóng)民也會通過該州的總量管制和交易計劃（cap-and-trade program）獲得溫室氣體減排的補償。西克斯說，有了正確的激勵措施，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，那當然更好了?！?/span>
紐約大學的坎特說，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。降低N2O濃度的措施同樣也會減少當?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，遠遠不需要幾十年或幾個世紀?！?nbsp;
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