今天，数十亿人的生命归功于一项一个世纪前的发现。1909年，卡尔斯鲁厄大学的德国化学家弗里茨·哈伯找到了一种将氮气转化为氨的方法——氮气在大气中含量丰富，但无反应性，因此大多数生物无法利用——氨是合成肥料的活性成分。20年后，当另一位德国科学家卡尔·博世开发出在工业规模上实施哈伯想法的方案时，世界粮食生产能力实现了爆炸式增长。
在随后的几十年里，新工厂将一吨又一吨的工业氨转化为肥料，如今，哈伯-博世发明作为人类历史上对公共健康最重大的贡献之一而受到广泛尊重。作为绿色革命的支柱，合成肥料使农民能够将贫瘠的土地变成肥沃的田野，并在同一块土壤上连续种植作物，而无需等待养分自然再生。因此，全球人口在20世纪从16亿激增至60亿。
但对人类来说，这个好消息付出了高昂的代价。我们制造的大部分活性氮——有目的地用于肥料，并在较小程度上作为驱动汽车和工业的化石燃料燃烧的副产品——最终并没有进入我们吃的食物中。相反，它迁移到大气、河流和海洋中，在那里它从行善者转变为猖獗的污染者，风格如同杰基尔和海德。长期以来，科学家们一直认为活性氮会导致有害藻类大量繁殖、沿海死亡区和臭氧污染。但最近的研究表明，生物多样性丧失和全球变暖也应归咎于氮，并且有迹象表明，氮可能会增加几种令人讨厌的人类疾病的发病率。
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今天，人类正在加速产生活性氮并将其注入环境，部分原因是越来越多的国家正在大力追求生物燃料合成和肉类生产等肥料密集型事业（肉类密集型饮食依赖于大量种植动物饲料谷物）。在南美洲和亚洲等地区，粮食作物的重度施肥和不受管制的化石燃料燃烧也变得越来越普遍。因此，毫不奇怪，曾经局限于北美和欧洲的死亡区和其他与氮相关的问题现在正在其他地方涌现。
与此同时，肥料是，并且应该是，在撒哈拉以南非洲和其他营养不良地区发展可靠粮食供应的主要工具。但国际社会必须共同努力，找到更好地管理其使用并减轻其在全球范围内造成的后果的方法。解决方案并非总是简单，但它们也并非遥不可及。
过犹不及
解决氮问题需要了解所涉及的化学原理，并确切了解氮是如何引发环境问题的。当 N2 气体分子分解时，这种元素的弊端——和好处——就产生了。所有生命都需要氮，但对于绝大多数生物来说，最大的储藏库——大气层——是遥不可及的。尽管大气层78%由N2组成，但该气体是惰性的。自然界使氮可供生命利用的方式依赖于一小群细菌的作用，这些细菌可以打破两个氮原子之间的三键，这一过程称为固氮。这些特殊的细菌以自由生活状态存在于陆地、淡水和盐水中，以及与豆科植物根部的共生关系中，豆科植物构成世界上一些最重要的作物。当闪电袭击和火山爆发将其烤焦时，也会固定少量氮气。
在人类开始利用哈伯-博世和其他固氮技术之前，世界产生的活性氮量与另一小组细菌的活性相平衡，这些细菌通过称为反硝化的过程将活性氮转化回 N2 气体。然而，仅在一个人类世代的时间里，这种微妙的平衡就被彻底改变了。到2005年，人类每年创造超过4000亿磅的活性氮，至少是陆地上所有自然过程总和的两倍。
氮有时被称为自然界最滥交的元素，当它从非活性状态释放出来时，会引起一系列环境问题，因为它可以与多种化学物质结合，并且可以广泛传播。无论新的活性氮原子进入大气层还是河流，它都可能沉积在距离其源头数十到数百英里的地方，甚至我们星球上一些最偏远的角落现在也因人类活动而经历了氮含量升高。也许最阴险的是：一个新生的活性氮原子可以在这些广泛的环境中弹跳，就像一个逍遥法外的重罪犯。
自食其果
当向玉米地或草坪添加氮时，反应简单且可预测：植物生长得更多。然而，在自然生态系统中，反应要复杂得多，而且经常令人担忧。例如，当富含肥料的河水进入海洋时，它们会引发微型植物大量繁殖，这些植物在分解时会消耗氧气，随后导致所谓的死亡区。即使在陆地上，复杂生态系统中并非所有植物对氮补贴的反应都相同，而且许多植物都没有为突然而来的财富做好准备。因此，它们输给了在新富营养化世界中更具竞争力的新物种。通常，最终结果是生物多样性的丧失。例如，在欧洲大部分地区的草原上，经过数十年人为造成的来自大气层的氮沉降后，植物物种减少了四分之一或更多。这个问题非常普遍，以至于最近的一项科学评估将氮污染列为全球生物多样性的三大威胁之一，联合国环境规划署的生物多样性公约认为减少氮沉降是保护成功的关键指标。
一种稀有植物的消失通常不会引起公众或政策制定者的关注。但过量的氮不仅会危害其他物种，还会威胁我们自身。《美国国立卫生研究院评论》表明，饮用水中硝酸盐浓度升高——通常是普通肥料中高硝酸盐水平造成的水污染的产物——可能会导致多种健康问题，包括几种癌症。与氮相关的空气污染，包括颗粒物和地面臭氧，影响着数亿人，提高了心肺疾病的发病率并提高了总体死亡率。
源于过量氮（以及另一种普遍存在的肥料化学物质磷）的生态反馈可能准备好用大量其他健康威胁来袭击我们。这种反应会变得多大或多变还有待观察，但科学家们确实知道，用氮丰富生态系统会以无数种方式改变其生态。最近的证据表明，如果饮用水中摄入过量氮，可能会增加患阿尔茨海默病和糖尿病的风险。它还可能增加空气传播过敏原的释放并促进某些传染病的传播。例如，豚草的施肥会增加这种臭名昭著的来源的花粉产量。疟疾、霍乱、血吸虫病和西尼罗河病毒显示出在氮充足时感染更多人的潜力。
这些和许多其他疾病都受到环境中其他物种的行为控制，特别是那些携带传染性病原体的物种——例如，蚊子传播疟疾寄生虫，蜗牛将血吸虫释放到水中。蜗牛提供了一个氮如何引发连锁反应的例子：更多的氮或磷径流会促进水体中植物的生长，反过来为蜗牛创造更多的食物，并增加这些带病原体的生物的数量和更快的生长速度。额外的养分也促进了每只蜗牛产生更多寄生虫的指数级增长效应。现在判断营养污染是否会总体上增加疾病风险还为时过早——在某些情况下，由此产生的生态变化可能会降低我们的健康风险。但随着未来几十年肥料的更大规模使用蔓延到疾病丰富的热带地区，发生变化的可能性以及因此了解其将如何发挥作用的需求正在迅速上升。
越来越多的证据还将活性氮归咎于气候变化中日益重要的作用。在大气中，当活性氮以一氧化氮 (NO) 或二氧化氮 (NO2) 的形式存在时，统称为 NOx，会导致其主要的有害副产品之一——地面臭氧。这种臭氧形成令人担忧，不仅因为它威胁人类健康，而且因为在地面，臭氧是一种重要的温室气体。此外，它还会损害植物组织，每年造成数十亿美元的作物生产损失。通过抑制生长，臭氧会削弱植物吸收二氧化碳 (CO2) 和抵消全球变暖的能力。
当活性氮以一氧化二氮 (N2O) 的形式存在时，它对气候变化的威胁尤其令人担忧——一氧化二氮是最强大的温室气体之一。一个 N2O 分子的温室变暖潜能大约是一个 CO2 分子的 300 倍。尽管 N2O 在大气中的丰度远低于 CO2，但其目前的大气浓度造成的变暖相当于 CO2 贡献的 10%。值得注意的是，过量的氮有时可以抵消变暖——例如，通过与其他空气传播化合物结合形成反射入射辐射的气溶胶，以及通过刺激氮限制型森林中的植物更快生长，从而从大气中吸收更多的 CO2。但是，尽管氮的加热和冷却效应之间的平衡存在不确定性，但大多数迹象表明，人类持续创造过量氮将加速气候变暖。
该怎么办
尽管肥料生产占目前危害地球的氮的大部分——大约占人类固氮量的三分之二——但放弃肥料肯定不是一个选择。肥料对于养活世界太重要了。但是，强调高效利用必须成为解决方案的一部分，无论是在富裕国家还是发展中国家。
富裕国家已经开辟了一条通往农业系统的道路，该系统通常是氮密集型的，并且在关键资源利用方面效率低下。它们对氮的利用通常类似于肆意挥霍，投资回报率很低，并且很少考虑其真实成本。在其他地方，有十亿或更多人陷入营养不良和贫困的循环。撒哈拉以南非洲地区可能最能体现这一点，这些地区的农业生产通常甚至无法满足基本的热量需求，更不用说提供收入来源了。在这里，注入氮肥显然会改善人类状况。例如，马拉维最近采取了向贫困农民供应价格合理的肥料和改良种子品种的政策，导致产量大幅增加并减少了饥荒。
但这种肥料不需要不分青红皂白地涂抹。证据就在那里：从美国中西部玉米带到墨西哥小麦田的研究表明，过度施肥在世界粮仓中已成为普遍做法——并且减少肥料并不一定意味着作物减少。简单的事实是，作为一个整体，世界有能力通过改变在廉价、充足的肥料和很少考虑其长期使用后果的时代变得普遍的耕作方式，用更少的肥料种植更多的粮食。简单地减少许多作物的总施用量是一个很好的起点；在许多情况下，肥料用量远高于确保大多数年份最大产量所需的水平，从而导致对环境的巨大损失。在美国，人们每年消耗的肥料仅略高于农民施用于田地的肥料的 10%。迟早，其余的最终会进入环境。估计值各不相同，但对于我们许多最常见的作物，四分之一到一半立即随雨水流出田地或进入大气。
精准农业技术也可以提供帮助。仅在植物最大需求时在植物根部附近施肥，就是一些较富裕的农业地区已经在使用的方法的一个例子。通过利用全球定位系统技术绘制田地地图，并结合遥感估算的植物养分水平，农民可以改进对作物需要多少肥料以及何时施肥的计算。但是，高科技设备成本高昂，许多独立农民负担不起，因此这种精准农业并非万能药。
解决方案并非都是高科技的。更便宜但仍然有效的策略可以包括种植冬季覆盖作物，将氮保留在田地中，而不是让田地裸露数月，以及在高价值作物（如玉米）的行间保持某种形式的植物覆盖。简单地在春季播种前而不是秋季施肥也可以产生很大的不同。
世界还可以利用肉类生产的变化。最终进入农作物的氮，大部分进入了猪、牛和鸡的口中——其中大部分然后以打嗝、尿液和粪便的形式排出。尽管减少全球肉类消费将是一个有价值的步骤，但肉类蛋白仍将是大多数人类饮食的重要组成部分，因此其生产效率也必须提高。改变动物饮食——例如，给牛喂更多的草和更少的玉米——可以在小范围内有所帮助，更好地处理动物粪便也可以有所帮助，就像人类粪便的污水处理设施一样，可以将更多的活性氮转化为惰性气体，然后再将其释放到环境中[参见 Nathan Fiala 的“温室汉堡”；《大众科学》，2009年2月]。
在能源方面，能源约占世界过量氮的 20%，通过更好地在烟囱和其他工业污染源中部署 NOX 洗涤技术，可以从当前的化石燃料排放物中去除大量活性氮。除此之外，持续的全球努力以提高能源效率并转向更清洁、可再生的能源将使氮排放量与碳排放量一起下降。淘汰最老旧、效率最低的发电厂，提高车辆排放标准，并在可能的情况下，将发电从传统燃烧转变为燃料电池，都将产生有意义的改变。
当然，一种可再生能源——玉米制成的生物燃料——正在产生对肥料的新需求。自 2000 年以来，美国玉米乙醇产量惊人的增长——增长了近四倍——已经对密西西比河下游增加的氮流量产生了明显的显着影响，密西西比河将过量的肥料带到墨西哥湾，在那里它为藻类大量繁殖提供燃料并造成死亡区。根据环境问题科学委员会（当时是国际科学理事会的一部分）去年 4 月发布的一份报告，生物燃料生产的照常营业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，以及这些常见的生态问题。
如何完成
社会已经拥有各种技术工具，可以更有效地管理氮，在大大降低风险的同时保留其许多好处。至于我们的能源挑战，转向更可持续的氮利用并非易事，也没有灵丹妙药。此外，技术诀窍是不够的：如果没有经济激励和其他政策转变，所有这些解决方案都不太可能解决问题。
氮污染在世界各地迅速上升的速度表明需要进行一些监管控制。实施或加强环境标准，例如设定可以进入地表水的最大日负荷量，并确定化石燃料排放物中允许的活性氮浓度，可能是必不可少的。在美国和其他国家，国家和地区层面都在推行监管政策，并取得了一些成功[参见 Laurence Mee 的“复苏死亡区”；《大众科学》，2006年11月]。随着急需的政策变化将肥料带到绿色革命在很大程度上绕过的世界地区，这些地区应从一开始就采用可持续的解决方案——以避免重蹈美国和其他地方所犯的错误。
即使没有因超出排放标准而处以罚款的监管威胁，也可能出现有希望的改进。基于市场的工具，例如可交易许可证，也可能有用。这种方法在工厂二氧化硫排放方面被证明非常成功。针对 NOX 污染采取类似方法的做法已经在进行中，包括美国环境保护署于 2003 年启动的 NOX 预算交易计划。这些政策可以扩展到肥料径流和牲畜排放——尽管后者比燃煤发电厂的烟囱更难监测。
解决该问题的其他方法也开始站稳脚跟，包括在农业区更好地利用景观设计，特别是确保靠近水体的农田边缘有中间湿地，可以显着减少进入地表水和沿海海洋的氮输入。受保护的河岸区，如美国保护储备计划推广的河岸区，可以发挥双重作用：它们不仅可以减少氮污染，还可以为候鸟和许多其他物种提供重要的栖息地。
取得实质性进展可能还需要重新思考农业补贴。特别是，奖励环境管理的补贴可以迅速改变标准做法。美国农业用地信托基金最近运行的一项非营利性实验显示出希望。农民同意减少肥料用量，并将降低肥料购买成本节省的一部分投入到公共基金中。然后，他们以降低的比例为大部分作物施肥，同时为小块试验田重度施肥。如果这些试验田的产量超过整个田地的平均产量，则该基金会支付差额。
正如我们中的一位（霍沃思）在 2005 年的千年生态系统评估报告中指出的那样，鉴于目前许多作物过度施肥的趋势，这种支付很少需要。美国中西部上游粮仓（为墨西哥湾死亡区提供燃料的大部分氮污染的来源）的普通农民通常使用的氮肥比农业推广人员建议的氮肥多 20% 到 30%。正如预测的那样，参与这项实验和类似实验的农民减少了肥料用量，作物产量几乎没有下降，并且因此节省了资金，因为他们投入基金的金额少于他们因购买更少的肥料而节省的金额。因此，这些基金在没有纳税人补贴的情况下增长。
最后，更好的公共教育和个人选择可以发挥关键作用。正如许多人已经开始减少自己的能源消耗一样，各行各业的人们也可以学习如何选择氮密集度较低的生活方式。
一个重大改进是美国人少吃肉。如果美国人转变为典型的地中海饮食，其中平均肉类消费量仅为当今美国水平的六分之一，那么不仅美国人的健康会得到改善，该国的肥料用量也将减少一半。饮食和农业习惯的这种转变可以同时降低环境氮污染并改善公众健康：富裕国家的氮密集型农业习惯导致蛋白质过高、通常不均衡的饮食，这与从心脏病和糖尿病到儿童肥胖症的健康问题有关。
做出旨在减少个人碳足迹的个人选择可以有所帮助——不仅在工业方面，例如支持风能和混合动力汽车，而且在农业方面也是如此。少吃肉、吃当地种植的食物以及吃草饲牛肉而不是玉米饲牛肉都可以同时解决碳和氮问题。仅靠个人选择不太可能解决问题，但历史表明，个人选择可以促使社会走上新的道路。长期以来被忽视为假设的气候与能源生产之间众所周知的权衡现在随处可见，从总统演讲到路边广告牌再到萌芽的监管计划。
不幸的是，氮问题在一个关键方面比碳问题更棘手。在解决后者时，致力于未来有一天在不产生 CO2 排放的化石燃料的情况下生产能源是合理的。但是，设想一个无需生产大量活性氮的世界是不可能的。合成肥料过去是，并且将继续对满足世界粮食需求至关重要。然而，如果我们继续走照常营业的道路，氮产量继续上升，我们将面临这样一个未来：弗里茨·哈伯发现的巨大好处将越来越被其缺点所掩盖。
尽管如此，正如我们在此处论证的那样，氮循环问题可以通过当前的技术以相对实惠的成本大大减少。我们能够而且必须做得更好。这将需要立即的和持续的努力，但可持续的氮未来是完全可以实现的。