世界上被遺忘的溫室氣體

（圖片／取自免費圖庫 Pakutaso）

俗稱為笑氣的溫室氣體的排放量正在飆升，我們能減少其最大的人為來源的排放嗎？在世界為減少溫室氣體排放的努力中，我們的食物來源正在成為人們關注的焦點。這是有充分理由的，農業佔人為引起的氣候暖化排放的16%到27%，但這些排放中的大部分卻不是來自於二氧化碳，那個大家所熟悉的氣候變遷惡棍，它們完全來自於另一種氣體，一氧化二氮 (N2O)。

紐約大學營養污染研究員，兼專注於氮污染研究和政策制定組織的國際氮倡議副主席，David Kanter說，N2O也被稱為笑氣，但卻幾乎沒有得到它應有的關注。“它是一個被遺忘的溫室氣體，”他說。然而，分子對分子來說，N2O在加熱大氣層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，在分解之前平均可以在天空中停留114年，它還會消耗臭氧層。總之，笑氣對氣候的影響可不是開玩笑的。政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 的科學家估計，一氧化二氮約佔溫室氣體排放量的6%，其中約有四分之三的N2O排放來自於農業。

但是，儘管N2O的排放對氣候變遷做出了重要“貢獻”，但氣候政策在很大的程度上卻忽略了它，並且讓它持續積聚。2020年對一氧化二氮的來源和碳匯的審查發現，其過去40年中排放量已增加了30%，超出了IPCC所描述的最高潛在排放設想之外的所有腳本。農業土壤，尤其是因為全球大量使用合成氮肥，就是罪魁禍首。

如今，科學家們正在尋找幾種處理土壤，或調整耕作的方式以減少N2O的產量。愛荷華州立大學的農業生態學家和土壤科學家Michael Castellano說，“任何可以提高肥料使用效率的措施都會有很大幫助。”

∥ 氮不平衡

人類已經使地球的氮循環失去平衡。在現代農業興起之前，農場中大多數的植物可使用的氮來自堆肥、糞便、和固氮微生物，它們吸收氮氣 (N2) 並將其轉化為銨，銨是植物可以透過根部所吸收的可溶性營養物質。但這一切在1900年代初期隨著Haber-Bosch工法的首次亮相而改變，該工法提供了一種可以生產大量氨肥的工業方法。

大量的合成肥料提高了作物的產量，並幫助養活了全球各地的人們，但是這種過剩的硝酸鹽和銨會帶來環境成本。生產氨肥約佔全球能源使用量的1%，二氧化碳排放量的1.4%（該過程需要加熱氮氣，並使其承受高達400個大氣壓的壓力，因此非常耗能）。更重要的是，化肥會導致一氧化二氮的排放量增加，因為農民往往在一年中將氮肥大批量的施用於田地，而作物卻無法全部用盡。

當植物根部不清除肥料時，其中一些肥料會流失到田間並污染水道。剩下的肥料則會被一系列的土壤微生物消耗，而這些微生物會將氨轉化為亞硝酸鹽，然後是硝酸鹽，最後再轉化為氮氣。在此過程中，N2O會在幾個不同的節點中作為副產品產生。在植物需要的時候再適度地分配肥料，或尋找減少氮肥的方法來保持產量，都可以減少N2O的排放。科學家們正在尋找各種方法來做到這一點。正在研究中的一種策略是使用精準農業技術，該技術使用遠端感應技術來確定在何時何地向田地添加氮，以及添加多少。另一種方法是使用硝化抑製劑，這是一種抑制微生物將氨轉化為硝酸鹽的能力的化學物質，以阻止N2O的產生，並將氮保留在土壤中，供植物在更長的時間內使用。

根據奧地利國際應用系統分析研究所的研究人員在2018年的估計，到2030年，廣泛採用這兩種做法可使一氧化二氮的排放量從目前的軌跡減少約26%。但作者表示，要幫助實現《巴黎協定》中規定的溫室氣體目標，還需要更多的東西。因此，科學家們也正在探索其他策略。

∥ 土壤解決方案

有一種方法是利用一些微生物的潛力，直接向植物供應氮，就像固氮細菌已經與豆類、花生和其他豆類所做的那樣。“土壤中確實有一座金礦，”Isai Salas-González說，他是《2020年微生物學年度評論》中，有關植物微生物組的文章的作者，也是最近在北卡羅來納大學獲得博士學位的計算生物學家。

在這方面，自2019年以來，Pivot Bio公司推出了一種名為Pivot Bio Proven的微生物產品，他們說，在種植玉米種子的犁溝中倒入接種劑後，該產品與作物的根部會形成共生關係。（該公司計劃為高粱、小麥、大麥和大米推出類似的產品。）微生物會每次小量餵食植物氮，以換取植物散出的糖分，從而減少對合成肥料的需求，Pivot Bio首席執行長Karsten Temme說。

Temme說，公司的科學家透過分離基因組中，已經具有固氮能力的Kosakonia sacchari細菌菌株來製造接種劑，儘管這些基因在田間條件下並不自然活躍。使用基因編輯技術，科學家們能夠重新激活一組18個基因的基因組，因此即使在合成肥料存在的情況下，細菌也會產生固氮酶。“我們哄它們開始製造這種酶，”Temme 說。

愛荷華州立大學的生物地球化學家Steven Hall，正在用裝有玉米的大型垃圾箱大小的容器測試該產品。研究人員將接種劑以及不同數量的合成肥料應用於土壤，並測量玉米產量、一氧化二氮的產量、以及從容器底部浸出的硝酸鹽量。儘管試驗結果尚未出爐，Hall表示，但“微生物減少對肥料的需求，從而減少了氧化亞氮的排放”的假設卻得到了“良好的初步結果”。

∥ 免耕

但一些土壤科學家和微生物學家對微生物的快速修復卻持懷疑態度。加拿大圭爾夫大學環境微生物學研究生，Tolu Mafa-Attoye說，像這樣的“生物肥料”所取得的不同的成功，取決於它們所應用的土壤和環境。例如，在一項小麥田間研究中，用有益微生物接種作物可以促進植物的生長，但產量只會略有增加。未知數比比皆是，Mafa-Attoye的圭爾夫同事於2月在《永續食品系統前沿》中寫道，例如微生物是否會對土壤生態產生負面影響，或者是否會被本地微生物擊敗。

英國蒂賽德大學的微生物學家Caroline Orr說，與其添加微生物，不如鼓勵土壤中已經存在的所需微生物的生長。她發現，減少殺蟲劑的使用可使微生物群落更加多樣化，和產生更多的自然固氮。此外，一氧化二氮的產量會受到碳、氧和氮多寡的影響，而這些也都會受到肥料使用、灌溉和耕作的調整的影響。

以耕作為例，對200多項研究的分析後發現，農民停止或減少耕地後的前10年，一氧化二氮的排放量都在增加。但在那之後，排放量卻下降了。該分析的合著者、瑞士蘇黎世聯邦理工學院的農業生態學家Johan Six認為，這是因為經過多年工作機械在地面的擠壓，土壤開始處於高度壓實的狀態。然而，隨著時間的推移，未受干擾的土壤會形成餅乾屑狀的結構，讓更多的空氣流入，在高氧環境中，微生物所產生的一氧化二氮會更少。這種免耕系統還可以生成更多的碳儲存，因為更少的耕作意味著減少有機碳向CO2的轉化，從而提供額外的氣候效益。

農民甚至可以在保持產量的同時，節省肥料和水的費用，並減少排放。在對加利福尼亞中央山谷番茄農場的研究中，Six發現，與傳統方法相比，減少耕作和使用滴灌系統，將氮緩慢地滲入植物的研究土壤 (這可減少土壤中匯集的養分量)，使N2O的排放量比在一般土壤低了70%。實施這些變化的農民，也透過該州的總量控制和交易計劃，獲得了溫室氣體減排的補償。Six說，有了正確的激勵措施，說服農民減少排放可能不會那麼困難。

在密蘇里州，農民Andrew McCrea在免耕系統中種植了2,000英畝的玉米和大豆。今年，他計劃減少肥料的使用，看看Pivot Bio的接種劑是否能讓他的產量或多或少保持不變。“我認為所有的農民肯定都關心土壤，”他說。“如果我們還能削減成本，那也很棒。”

紐約大學的Kanter說，如果政策制定者轉向解決一氧化二氮，我們所有的人都應該會受益。其中一些可能比解決氣候變遷更迅速、更實際。降低N2O程度的相同措施，也會減少當地的空氣和水污染，以及生物多樣性的損失。“那些是人們會立即看到和感受到的東西，”Kanter說，“而不是在幾十年或幾個世紀後。”

原著出處：Ula Chrobak, June 4, 2021