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经典重读 | 12年了，还有哪些氮素问题悬而未决？

已有 5445 次阅读 2020-6-26 18:05 |个人分类:文献阅读|系统分类:科研笔记

经典重读 | 12年了，还有哪些氮素问题悬而未决？

杨顺华（中国科学院南京土壤研究所）

作者按：随着自媒体的进一步普及和科研信息传播的需求增大，很多科研论文，尤其是发表在知名刊物上的文章，一经发表，很快就会被各大微信公众号抢发一空，大有各类解读信息泛滥之势。然而，我们真的需要精读每一篇新文章吗？其实，每个领域都有一些经典文献，这些文献就像大浪淘沙后留下的珍珠，凝结了领域内研究的精华，总结了本领域的发展、存在的问题，能够为未来的研究趋势指明方向，非常值得精读。今天，让我们先来一起重温一篇2008年的经典文献吧！由于本人水平有限，对于文中表述不妥之处，敬请批评指正。要想获得原汁原味的信息，敬请阅读原文。

原文信息：

论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/320/5878/889

摘要

人类继续以创历史记录的速度改造全球氮循环：化石燃料的燃烧不断增加，工农业领域对氮素的需求不断增加，但对其利用的效率普遍不高。因而，大量的人为活化氮流失到大气、水体和土体等环境中去，带来一系列逐级关联的环境和人类健康问题。同时，在世界上的某些地方，粮食生产过程又是缺氮的，突出了氮肥分布不均等的问题。采用多学科的综合研究方法、实施能降低氮肥浪费的策略，是优化氮肥需求、降低负面环境效应的必由之路。

引言

从思考如何提高粮食产量到理解高强度农业对环境系统的破坏，人们对活性氮和氮循环的认识已经发生了重大转变。很明显，我们的行动还没有完全跟上思想的节奏。在某些地区，食品生产过剩、垃圾食品横行，由此带来的环境问题十分突出。而在另一些地区，数以亿计的人口却因缺乏足够的氮肥，连最基本的口粮都无法保证。

随着活性氮生产和使用的强度进一步增大，一些重大的科研和管理挑战仍然横亘在我们面前，且日益紧迫。尽管各地的管理策略不一，但是我们坚信可以建立起活性氮收益和损失之间的良性平衡。

正文

活性氮的分布模式继续变化

活性氮的生产每年仍在不断增长。这主要是由农业活动造成的，但是化石燃料能源也扮演了重要角色，越来越常见的生物燃料也正在成为一个重要的贡献源。

2004年，国家贸易转移了24%的人为活性氮，氮商品全球贸易增长的速率是活性氮生产速率的2倍之多。与水路和大气传输可以稀释活性氮浓度不同，商业贸易通常是将高浓度的活性氮直接注入生态系统。尽管这种方式可能对小区域造成大破坏，但同时也便于对活性氮释放进行深度管理。然而，不断增加的国际贸易带来了新的社会经济问题，比如谁该为氮流失带来的环境破坏负责呢？消费含氮商品（比如肉类和牛奶）的区域可能与生产地相距十万八千里，当然不会为生产商品所付出的环境代价埋单。

从全球的角度来看，大气传输和随之而来的沉降已经变成影响活性氮分布的主导过程。考虑到大气圈在活性氮分布中的重要作用，需要更好地理解活性氮排放的速率。相对来说，我们对化石燃料燃烧所带来的氮氧化物排放速率的认识得更深一些，但是对于生物质燃烧和土壤排放速率的认识要浅得多。其中，氨排放速率的不确定性是最大的，无论是任何来源亦或任何尺度。同时，沉降至陆地生态系统、淡水和海洋中的氮到底去哪儿了？有什么环境影响？这些问题也很关键。

问题不断

尽管活性氮在环境变化中扮演的角色无可否认，仍然有很多悬而未决的问题。我们认为，以下五个方面的问题值得优先考虑。

1、活性氮的终极归宿在哪？

尽管人为活性氮产生的数据是清楚的，但是有关活性氮去向的数据是不确定的。例如，上世纪九十年代中期，对于投入到陆地生态系统中的活性氮，人们仅对其中35%的去向是相对清楚的：18%流入海岸生态系统并在其中进行反硝化反应，13%通过海洋大气圈沉降到海洋，4%以氧化亚氮的形式排放。因此，大部分（65%）的活性氮要么累积在土壤、植被和地下水中，要么通过反硝化转化成了氮气，但是无论在哪种尺度上，这些估计值的不确定性都很大。

2、活性氮增加的净气候效应如何？

氮在影响气候的同时，也在被气候影响；人造活性氮对气候变化的净贡献充满了争议。通过产生氧化亚氮和平流层中的臭氧，活性氮能够直接增加辐射动力。但是，通过平流层气溶胶和对流层臭氧的下降，大气中的活性氮也有降温效应。此外，活性氮与碳循环联系紧密，后者对于大气二氧化碳和甲烷具有全球效应。

一正一负，活性氮增加的净气候效应到底如何呢？

3、热带地区对氮投入增加的响应如何？

我们对氮动力作用的大部分认识都来源于温带地区，但是在接下来的几十年内，热带地区氮投入的增加将会是最多的。随着城市的发展和农业规模和强度的扩大，某些热带地区已经出现了不断增强的氮沉降、酸沉降和富营养化问题。热带地区还是地球上维持陆地和淡水生态系统多样性的主要成员。考虑到活性氮的增加已经造成了高纬度地区生态系统多样性的丧失，热带地区的活性氮问题非常值得关注！

4、活性氮如何影响人类健康？

毫无疑问，大规模固氮的能力对于人类来说是个好东西。如今，世界上的食用蛋白质大概有40%来源于合成肥料。据估计，如果不是受益于现代Haber-Bosch合成氨过程，至少有20亿人口无法存活。在很多发达国家，氮素密集型农业实践生产的产品带来了不健康的饮食，但是在其他缺乏氮肥的地方，土壤养分不断耗竭，导致饿殍遍野。

一旦活性氮进入环境，它对陆地、水体和大气的效应能够从不同方面影响人类健康与福祉。比方说，氮导致的对流层臭氧浓度升高能够直接危害人体健康并造成农业生产力的损失。一氧化氮和氨排放能够促进大气颗粒物和对流层臭氧的形成，加剧肺部疾病。含高浓度硝酸盐的饮用水所带来的健康效应，例如癌症和生殖风险，仍然充满未知。环境中过量的氮素可能还会影响一些重要传染性疾病的扩散，比如疟疾、西尼罗病毒、霍乱和血吸虫病。

5、生物燃料的发展如何改变氮循环？

生物能源的快速发展在人类活动和全球氮循环之间建立起了一个全新的纽带，但是人们对于这一整套联系仍然一知半解。当前，世界上大部分的生物燃料都产自美国玉米或者巴西甘蔗。美国玉米地面积2900万公顷，氮肥投入量达160千克氮/公顷/年；巴西甘蔗地面积为7百万公顷，氮肥投入量为100千克氮/公顷/年。和很多密集型农业系统一样，巴西甘蔗地的氮肥利用效率很低：仅有30%为植物组织所吸收。因此，大部分的氮肥流失到环境中去了。加之甘蔗地的面积预计到2016年会翻一番，生物燃料产业将会快速重塑热带地区的氮循环。最终，富氮的生物燃料将会通过产生氧化亚氮和对流层臭氧来抵消降低二氧化碳排放的功劳。

现在该怎么办？

大量证据已经表明，人类对氮循环的改造正在负面影响着人类和生态系统健康。随着粮食和能源需求的不断增大，活性氮的产量及其负面效应的强度也在不断加大。考虑到活性氮使用的复杂性、环境效应的移动性和区域差异性，不可能有放之四海而皆准的策略。然而，正如南京氮素管理宣言中所倡导的那样，我们强调对全球氮循环的干预要找准位置，即被干预的节点氮素浓度要高、可操作性要强。

尽管执行起来非常费时，但未来可期。首先，最大程度地降低化石燃料燃烧过程中产生的氧化氮类气体排放量，将会使活性氮产量从2500万吨氮/年降低至700万吨氮/年。其次，不断提高的氮肥利用效率将会降低1500万吨氮/年。再者，提高动物管理策略则会减少1500万吨氮/年。最后，尽管32亿居住在城市的人口中只有一半使用了污水处理，这也能使500万吨氮/年转化成氮气。当然，其他的干预措施也非常重要。

最后，我们强调两点。首先，尽管前路充满挑战，但这些措施都是可行且极其重要的。其次，并不是所有管理措施的目的都是减少活性氮产生。对于某些缺乏足够活性氮或其他营养元素的地区，为了维持人口生存，大规模的持续干预也是有必要的。对于这些地区，如果能够找到一条既能提高粮食产量，又能降低养分损失和环境风险的道路，那就再好不过了。

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