节选自《显而易见的水：干渴世界的希望》，作者 Judith D. Schwartz，经圣马丁出版社许可。版权所有 2016年。
谈到灌溉，水不仅仅是水。
这对于约翰·肯普夫来说是信条，他是一位俄亥俄州的农民，毕生致力于改善作物健康和农业产量。 2006年，肯普夫创立了 Advancing Eco Agriculture 公司，这是一家为农民提供咨询服务的公司，提供作物样本的测试和分析，并推荐各种植物营养处理方法以提高作物产量。
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用于作物的水源——无论是井水、河水还是水库水——所含的矿物盐各不相同。水中盐分的含量被称为“硬度”，通常以每加仑多少格令来描述。（“盐”在这里不是指撒在炒鸡蛋上的盐，而是指带正电荷[阳离子]和负电荷[阴离子]的元素的组合。）肯普夫表示，水质差，特别是碳酸钙（石灰）含量高的水是一个在公共农业讨论中经常被忽视的问题——但这个问题会影响作物生产，并且具有讽刺意味的是，会导致更高的用水量。
“矿物质的含量不仅影响植物吸收水分的能力，还影响植物吸收营养的方式，”肯普夫说。“硬水需要更多的能量，也因此需要更多的营养来分解它。当水质较差时，就需要更多的水。” 农场确实会定期测试水质，他说，当潜在客户的水源超过每加仑五格令时，他建议进行处理。
“当农场用劣质水灌溉时，会产生多种影响，”他说。“它会束缚所有以肥料形式施用的养分。它会显着抑制土壤生物。通常发生的情况是，碳酸氢钠和碳酸氢钙会在土壤剖面中积累。这会导致盐碱化。”
通过束缚养分和抑制土壤中的生物过程，硬水削弱了植物达到更高健康水平的能力。这导致作物的抗逆性降低，并排除了健壮植物所具有的节水效率。此外，可能需要额外的水来纠正与劣质水相关的问题。例如，土壤盐碱化通常通过用大量水冲洗该区域来解决。这就是为什么盐碱化往往是澳大利亚和加拿大和美国北部大平原等干燥地区的一个问题。例如，在佛蒙特州，充沛的雨水很容易冲走过多的盐分。然而，肯普夫不仅仅是在谈论像加利福尼亚这样的地方，他说那里的情况是地方性的。“俄亥俄州、宾夕法尼亚州和整个中西部地区都有这个问题，”他说。“但没有人谈论它。”
在每个生长季结束时，Advancing Eco Agriculture 团队都会聚集在一起进行汇报。“我们作为一个小组坐在一起，浏览我们所有的客户名单，”肯普夫说。“谁获得了我们期望的结果？我们对谁的结果不满意？农民可能会欣喜若狂。 他可能获得了 20% 或 30% 的产量增长。但在许多情况下，我们可能会觉得这里还有很多潜力，还有很多改进的机会。”
“当我们在 2014 年秋季进行这个过程时，我们发现，按照我们的标准，所有经营不善的农场都有一个共同因素。那就是他们的水质差。特别是，他们正在用劣质水进行叶面施肥[直接喷洒在叶子上]。无论何时农民用硬水进行施肥，特别是含有碳酸氢盐的水，我认为都不会 100% 有效。” 他说，情况已经到了公司除非水质问题得到解决，否则不会与客户合作的地步。“如果一个农民想与我们合作，但水质很差，我们不会向他出售产品，除非他更换水源，因为我们知道该计划不会奏效，他会把责任归咎于我们。”
该公司对叶面施肥用水设定了每加仑五格令硬度的限制，对灌溉用水设定了十格令的限制。“在这个国家农场使用的所有水中，有 85% 都超过了这个范围——超过每加仑五格令，”肯普夫说。“我们在中西部地区听不到这个问题，因为我们有雨水冲刷土壤中的毒素。如果我们不下雨，我们也会遇到与加利福尼亚州相同的问题，只是程度较轻。”
不讨论氮就无法充分解决水质问题。 克里斯汀·琼斯是一位土壤生态学家，她组织了关于优化景观健康和农场生产力的著名研讨会和会议。据她介绍，全球农民每年在农田和牧场上施用超过 1000 亿美元的氮肥。其中实际上只有不到一半被植物吸收。其余的 60% 到 90% “会渗入水中，挥发到空气中或固定在土壤中。” 过量的氮必然会引起问题。就大气而言，化肥使用量的增加与一氧化二氮排放量的增加有关，一氧化二氮是一种温室气体，其影响是二氧化碳的 300 倍。就水而言，美国农业部经济研究服务局估计，每年从市政供水中去除硝酸盐的成本超过 48 亿美元。我们可以将墨西哥湾藻类大量繁殖和 6000 平方英里的死区归咎于过度使用和管理不善氮（和磷）肥。由于氮肥相对便宜，农民有动力多施而不是少施。联合国粮食及农业组织建议，全球氮肥使用量将继续增长，到 2018 年将超过 2 亿公吨（2.2 亿吨）。
琼斯说，广泛使用氮肥造成的生态后果远远超出污染。无机氮以导致更多用水量的方式改变土壤中的生物系统。正如我在 2014 年在新墨西哥州阿尔伯克基举行的 Quivira 会议上听到她阐述的那样，问题在于“为了追求产量，我们已经解开了碳、氮和水之间的联系。”
如果说灌溉是农业的故事，那么氮就是推动绿色革命故事发展的动力。所有生物都需要氮；氮化合物，如氨基酸，是蛋白质生产的核心。碰巧的是，周围有很多氮——它占我们大气层的 78%。然而，N2 气体非常稳定，植物无法利用。氮需要通过闪电或土壤中的固氮细菌或豆科植物根瘤中的固氮细菌来“固定”——即切断其键。 可利用的氮也存在于动植物废弃物中，但释放缓慢。在系统中保持足够的氮一直是农民面临的持续挑战。大多数农民依赖粪肥、堆肥和轮作或覆盖作物，特别是豆科植物，如豌豆和三叶草。
1909 年，随着哈伯-博世法的出现，一切都发生了变化。哈伯-博世法是一种能源密集型和高温方法，可以从氮气中合成植物可用的氮形式，实际上是从空气中制造肥料。氮肥的生产带来了作物产量的增加、工业规模的农业运营以及高产植物品种的出现——所有这些都是绿色革命的特征，绿色革命始于 20 世纪 40 年代，既服务又推动了世界人口的急剧增长。（哈伯-博世技术也促进了工业战争，因为它对芥子气、硝化甘油和 TNT 等炸药的大规模生产至关重要。）
琼斯强调了天然系统中含量最丰富的有机氮与合成肥料中发现的无机氮之间的区别。她说，当植物变黄时，就可以判断出植物缺氮。作为一名业余园丁，我知道这一点，因为我的番茄有时会变黄，尤其是在下部的叶子上。但是，如果我现在，在初夏时节，从我坐在后院的平台上向四周望去，我可以看到各种树木和灌木以及势不可挡的猕猴桃藤蔓的全景，但任何地方都看不到丝毫黄色。那么，不知何故，我房产周围的这些植物正在获得它们每天所需的氮。闪电的分布并不那么均匀，而且除了草丛中的一些三叶草外，豆科植物也很少。因此，这一定是通过与固氮细菌的结合来实现的。
“我从未在自然生态系统中见过缺氮植物，”琼斯说。“显然，我们在农业中做的一些事情正在干扰氮的生物固定。” 抑制自然固氮的做法包括保持休耕地、不适当的放牧、使用杀菌剂和杀虫剂以及施用高剂量氮肥。她称氮是“双刃剑”，因为添加氮虽然提供了明显的效果，但同时也会破坏作物赖以生存的系统。琼斯说，农场变得依赖合成氮来补偿受损的土壤；他们需要像戒毒一样戒掉它。
固定氮以氮化合物（如氨基酸）的形式转移到植物的过程是通过菌根真菌的菌丝进行的。真菌本身并不固定氮。相反，氮化合物是菌根真菌经常充当经纪人的贸易网络的一部分。在蓬勃发展的土壤系统中，植物通过根部向外输送碳渗出物。这些糖与微生物和真菌进行交易，以换取植物所需的矿物质，包括氮，通常是通过菌根中介。
如果我们将视野放大到细胞层面，我们会看到氮和碳是密不可分的：叶绿素是光合作用发生的地方，是蛋白质复合物的一部分，这意味着它必须含有氮。因此，没有氮就无法实现光合作用。与此同时，植物无法在没有可以交换氮的碳化合物的情况下获得氮。
在将氮施与植物而不要求它们用碳“支付”的情况下，我们已经扰乱了这种安排。“当作物和牧场表现不佳时，我们往往想在土壤中添加一些东西来修复它，通常是氮。通过使用无机氮，我们正在使途径短路，”琼斯说。 “植物不需要向微生物提供碳以换取氮，因此植物也无法获得微生物正在提供的其他营养物质。”
由于无需处理碳，植物变得懒惰。“由于合成氮的使用，土壤中碳流失，”琼斯说。“因此，土壤不再具有结构，保水能力降低。而且由于植物没有获得微量元素，植物的免疫力下降。这使得它们容易受到病虫害的侵袭，现在农民需要昂贵的农药。这会扰乱食物链。此外，我们需要更多的水，因为土壤无法保持水分。” 她强调，植物可能看起来很好——当然没有变黄，因为氮含量很高——但支撑它们的基石正在瓦解。
琼斯敦促我们不要低估这些她统称为“微生物桥梁”的无形联盟。“我们必须记住，植物不能移动，但它们会发出信号。矿物质不仅仅漂浮在土壤中，它们是被束缚的。它们需要细菌和真菌酶来释放它们。植物为这些生态系统过程提供生化能量，即燃料。” 这样做，植物有助于构建土壤。