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一百年前的这个月，德国卡尔斯鲁厄大学的一项实验室实验为绿色革命奠定了基础。化学家弗里茨·哈伯将一片锇放入一个钢制腔室中，泵入氮气和氢气的混合物，并提高了温度和压力。然后，流出了氨，这是生产合成肥料的难以捉摸的原料。这是科学家们追求了十年的一个尤里卡时刻：哈伯成功地创造了必要的条件，将大气中丰富的但对生命无用的氮气转化为可消化的形式。这项工作为哈伯赢得了1918年诺贝尔化学奖。（许多人抗议这项奖励，因为哈伯在第一次世界大战期间曾为德国开发和部署氯气发挥了重要作用。）
一旦在工业规模上实施，氨合成使得农田在接下来的几十年里得以广泛施肥。直接结果是，世界人口在20世纪从16亿激增到60亿。但是，哈伯的滋养发现有一个他可能从未想到的黑暗面。长期以来不加选择地施用的肥料的繁荣，对环境造成了高昂的代价。
现在，根据国际科学理事会环境问题科学委员会（SCOPE）本月晚些时候发布的一份新报告，社会渴望使用生物燃料来摆脱对石油的依赖可能会适得其反。通过加剧氮污染，生物燃料生产的常规方法可能会加剧全球变暖、粮食安全威胁和人类呼吸系统疾病，以及熟悉的生态问题。科学家们早就知道，从农田中渗出的肥料（以及从尾气管和烟囱中排出的少量肥料）中的活性氮在空气和河流中蔓延时会造成严重破坏。当流向海洋时，不守规矩的营养物质经常会引发有害的藻类繁殖，世界各地数百个河口因所谓的季节性死亡区而遭受损失。“我们正在达到死亡区将成为大陆周围连续带的地步，”加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的海洋生态学家杰里米·杰克逊警告说。
解决氮问题是杰克逊呼吁使绿色革命真正绿色的核心，这种观点得到了世界各地科学家的响应。主要罪魁祸首：所谓的基于甘蔗和玉米糖发酵的第一代燃料。
“在美国，玉米生产乙醇在肥料流入密西西比河方面是一场灾难，”康奈尔大学环境生物学家、国际SCOPE生物燃料项目主席罗伯特·霍沃思说。美国2007年通过的《能源独立与安全法》获得了两党的强烈支持，设定了一个到2022年用玉米生产540亿升（143亿加仑）乙醇的目标。但SCOPE报告中概述的新研究表明，如果不改变做法，实现该目标可能会使密西西比河的氮流量增加37%。这使得乙醇生产与另一个国家目标形成巨大冲突：将同一河流中的氮流量减少至少40%，以减小墨西哥湾北部死亡区的大小。
玉米是一种麻烦的生物燃料来源，特别是从氮的角度来看，霍沃思说。典型的玉米种植方法是施用高剂量的肥料，这会对周围环境造成重大损失。与大多数作物相比，玉米的根系非常浅，因此只能利用土壤顶层一到两英寸（0.4到0.8厘米）的氮。此外，它每年只吸收60天的氮和其他营养物质。其他作物，如大豆和小麦，则具有更深的根系，并且活动时间更长。但是，玉米价格的上涨促使农民种植更多这种“氮泄漏”谷物。为保护目的而预留的土地以及一些活跃的大豆和小麦田正在被重新转化为活跃的玉米种植。
报告称，尽管如此，玉米产量的增长也无法使世界实现其乙醇生产目标。例如，美国将其2007年玉米收成的24%用于乙醇，但这慷慨的贡献仅占该国液体燃料使用量的1.3%。基于此和其他早期发现，SCOPE报告预计，将用于运输的液体化石燃料的10%替换为生物燃料可能需要世界三分之一的可耕地，不仅会造成氮污染问题，还会造成粮食安全问题。
当前的生物燃料目标对全球变暖和人类健康带来了其他重大问题，霍沃思表示，科学家们“长期以来低估了”这些问题。肥料会释放大量的氧化亚氮，这是一种温室气体，其捕获热量的能力是二氧化碳（CO2）的300倍。德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的诺贝尔奖获得者保罗·克鲁岑及其同事在2007年进行的一项分析表明，对于目前大多数生物燃料作物（包括玉米）而言，任何二氧化碳的节省都将被氧化亚氮和氮氧化物的更高排放所抵消。后者会破坏所谓的“好”臭氧，从而保护生命免受有害紫外线的侵害；它还会促进地面臭氧的产生，地面臭氧是众所周知的加剧人类呼吸系统疾病的雾霾的主要成分。根据美国环境保护署的数据，数百万美国人居住在臭氧暴露量超过国家标准的地区。
即使研究人员对生物燃料敲响警钟，他们也提出了有希望的解决方案。即将出现的是纤维素乙醇，有时被称为“草汽油”。马萨诸塞大学阿默斯特分校的化学工程师乔治·休伯表示，这些所谓的第二代生物燃料的原料木材或木质草可以在贫瘠的土地上种植（因此不会与粮食作物争夺空间），并且需要少得多的肥料。休伯和他的密歇根州立大学同事布鲁斯·戴尔表示，成熟的纤维素生物燃料产业将能够以每桶约50美元的价格与石油竞争，并以每加仑约2美元的价格向加油站输送燃料。
但是霍沃思指出，这个愿景仍需数年才能实现。同时，SCOPE报告表明，即使是草汽油也可能不是生物质的最佳用途：“世界最好直接将纤维素用于燃烧，”霍沃思说。“如果你尝试以固定方式使用生物质，它会更有效率。” 直接燃烧芒草用于供热和发电，可以提供比将相同来源转化为乙醇多2.6倍的能量，并且比从玉米生产乙醇多9倍的能量。证据就在那里：瑞典35%的家庭和商业建筑通过燃烧生物质（主要是附近种植园种植的柳树）来供暖。
生物燃料目前是一个热门话题，但围绕肥料和氮污染的一系列问题要复杂得多。其中首要的挑战是需要在世界许多地区使用更多的肥料来对抗饥饿，科罗拉多大学博尔德分校的生态学家艾伦·汤森指出。汤森和霍沃思一样，在过去的15年里，花费了大量时间来分析人类对全球氮循环的扰动。在发展中世界的许多地区，迫切需要更多的肥料来帮助养活迅速增长的人口，然而，西方的错误正在其他地方重演。2月份发表的一项研究表明，中国可以在不降低作物产量的情况下，将其肥料用量减少三分之一。追求肉类密集型饮食（这需要大量生产施肥作物来喂养动物）是汤森和霍沃思指出的另一个问题。
尽管发出了严厉的警告，但这两位科学家都不是悲观主义者。霍沃思说，哈伯的发现一个世纪以来都是一个奇迹。我们只需要更明智地应用它。