氮是作物的重要养分，但土壤很少能产生足够的氮来维持过去50年中人口增加了一倍多的世界人口所需的持续耕种。近一个世纪以来，合成肥料弥补了这一差距，提高了作物产量。然而，我们过度放纵了，产生了大量的废物。在全球范围内，用于生产肉类和乳制品的氮的90%以上，以及用于种植植物性食品的氮的80%被排放到环境中。它污染了溪流、湖泊和海洋以及饮用水，并助长了藻类和其他生物的生长，这些生物会使鱼窒息并杀死植物。作物和牲畜吸收的大部分氮，以及我们因此摄入的氮，会以污水形式排出体外，如果未经充分处理，就会成为氮污染的重要来源。
弗吉尼亚大学的生物地球化学家詹姆斯·加洛韦（James Galloway）表示：“氮污染是我们面临的最大环境挑战之一”，他研究这个问题已经近40年了。“氮对粮食安全至关重要，但它显然正在危害人类和环境健康。”
其中一个后果是墨西哥湾，它是氮污染的典型代表。流入密西西比河并流入墨西哥湾的农业径流已经造成了“死区”，鱼类无法生存。氮肥还会导致气候变化；一氧化二氮是施肥的副产品，是一种强效且持久的温室气体。肥料中的氮蒸汽与工业排放物在空气中结合，形成微小的固体颗粒，这些颗粒会侵入我们的肺部并导致心脏或肺部疾病。硝酸盐是氮的可溶形式，饮用水中高浓度的硝酸盐会导致婴儿高铁血红蛋白血症，这种疾病被称为“蓝婴综合征”，可能致命。
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作为一种污染物，氮并没有像二氧化碳那样引起个人、组织、城市或国家的关注。但这正在开始改变，部分原因是新兴的法规和科学工具正在提高对这个问题的认识并帮助人们解决它。农业，包括食品的生产和消费，是主要因素。根据美国环境保护署的数据，在美国，农业占氮污染的65%，其次是来自车辆和发电厂的排放（20%）以及工业（15%）。
加洛韦和其他研究人员正在努力帮助解决这个问题。例如，他和他的同事艾莉森·利奇（Allison Leach）开发了一种名为N-Print的在线工具，这是一个氮足迹计算器，旨在帮助个人和机构衡量其食品和能源消耗产生的污染量，然后他们可以应用这些知识来缩小他们的氮足迹。通过汇编人均数据，各国最终也可以计算出他们的足迹。人均足迹定义为从所有来源释放到环境中的活性氮总量，所有活性氮化合物（惰性氮气（N2）除外，例如我们大气中的氮气）。
除了农业变革之外，近年来，市政当局越来越关注如何处理废水或污水。升级废水处理设施以及家庭化粪池系统可能很昂贵，但这些措施可以显著地恢复水体的健康。荷兰路易斯·博尔克研究所综合氮研究教授兼首席执行官扬·威廉·埃里斯曼（Jan Willem Erisman）表示：“废水处理显然是解决方案的一部分，特别是在限制氮流入河口方面。”他指出，人类排泄的食物中排放到环境中的氮中，大约一半可以通过适当的废水处理来减少。
污水解决方案
根据利奇领导的研究，美国人均足迹（每年每人41公斤）远大于许多欧洲国家，例如荷兰（24公斤）和奥地利（20公斤），这可能并不令人意外。荷兰的一个关键因素是废水处理的改进。先进的处理将活性氮（Nr）转化为N2，这一过程称为反硝化作用，可去除高达78%的氮，与美国的5%去除率相比，这是一个巨大的进步。许多其他国家的去除率也很差。
然而，美国的一些地区和城市正在取得进展。《清洁水法》规定各州维护健康的水道，这为监管机构和环保主义者提供了打击废水处理厂等“点源”氮污染的法律工具。切萨皮克湾一直因氮引起的死区、大量鱼类死亡以及螃蟹和渔业收入减少而臭名昭著，但由于废水处理设施的升级，切萨皮克湾取得了长足的进步。根据专注于保护海湾的非营利组织切萨皮克湾基金会的数据，处理厂的氮污染量从1985年占总负荷的28%下降到2015年的16%，下降了43%。这些改进还减少了磷污染。“废水[处理]绝对是进步的亮点。大部分进展都来自于此，”该基金会的首席科学家贝丝·麦吉（Beth McGee）说。
沃克顿废水处理厂的一名工人在新清空的储罐中喷水。图片来源：Peter Power/多伦多星报 via Getty Images 摄
州和联邦机构设定的目标是将进入切萨皮克湾的氮总负荷从所有来源减少39%——从1985年的143500多吨减少到2025年的约87000吨。那是切萨皮克湾计划开始追踪氮和其他污染物的那一年，切萨皮克湾计划是州政府和其他政治实体以及地方机构、非营利组织和环保署的区域联盟。根据麦吉的说法，截至2014年，该多州地区的氮排放量约为112400吨，距离实现目标还差一半多一点。该基金会一直在使用加洛韦和利奇开发的氮计算器，以提高居民对其个人氮足迹的认识，包括马桶里的东西。例如，少吃肉会降低足迹，因为生产肉类需要大量的氮。
另一个通过污水处理取得进展的地方是马萨诸塞州的西法尔茅斯，它是旅游小镇法尔茅斯的一部分，该镇位于科德角的西南角，约有30000名居民（夏季约为90000名）。2002年，法尔茅斯获得了一个任何城镇都不希望获得的称号：根据联邦《清洁水法》列入“脏水名单”。氮污染是主要原因，特别是来自集中处理厂处理后的人类废水的硝酸盐。（该工厂处理废水，然后将其排放到大型沙床中。处理后的废水随后渗入地下水，最终流入港口。）西法尔茅斯工厂的氮污染占流入港口的70%，而化粪池系统的氮污染占30%。受害者包括本地鳗草和海湾扇贝。
该名单引发了对该镇西法尔茅斯地区实施的严格营养限制。2005年，该镇升级了其处理厂，以便去除氮，这在以前没有做过，在美国很常见，令人惊讶。据巴扎兹湾联盟的高级律师科林·彼得森（Korrin Petersen）称，毗邻的巴扎兹湾的水质有望很快得到改善。该工厂的原始许可证允许每百万分之五十或每升50毫克的氮排放——这一限制反映了以前较弱的法规和不良的水处理技术。
新许可证将限值设定为每百万分之三，这与目前的水平大致相同。该镇还在努力升级港口90米内的家庭化粪池系统。“这不是一年内就能扭转的事情，但我们已经看到流入海湾的氮污染显着减少，”彼得森说。“我将其定义为成功案例，因为这个社区为升级付出了很多努力。”越来越多的美国城市正在效仿。
计算氮和碳
加洛韦希望，一旦个人、组织、城市和国家通过氮足迹计算器等工具更好地了解、衡量并最终改变其生态影响，他们就能成为解决方案的一部分。例如，在去年12月的巴黎气候谈判中，一些大型公司承诺通过清理包括氮在内的整个供应链，大幅削减其产品和服务产生的温室气体排放。
更好的计算器可能会有所帮助。Galloway和Leach设计的计算器主要衡量个人和机构因食物消费而产生的氮足迹，包括相关的食物生产和加工。但是，这两位研究人员以及其他科学家也在开发综合计算器，以更全面地了解环境影响，因为许多污染物之间会相互作用。例如，他们正在为大学设计一个氮和碳的综合计算器。“如果机构已经计算了碳足迹，他们可以使用大部分相同的数据来计算氮足迹，并做出更好的管理决策，”Leach说。
其他研究人员和组织正在创建模型，以计算农业和其他部门产生的综合污染物。例如，“从田野到市场”（Field to Market）是一个旨在使农业更具可持续性的非营利组织。该组织使用一个名为Fieldprint 计算器的工具，与包括玉米、棉花、水稻和大豆在内的多种作物的生产者合作。该在线工具估计特定田地在八个“可持续性指标”上的表现，其中包括两个专门针对氮的指标——水质和温室气体排放。水质包括硝酸盐径流进入地表水以及通过土壤的渗滤；温室气体包括与肥料施用量和农场管理实践相关的土壤中的一氧化二氮排放。
生产者可以使用该工具将其表现与当地、州和全国平均水平进行比较。“从田野到市场”的客户包括向联合利华旗下品牌好乐门蛋黄酱供应豆油的大豆种植者。“从田野到市场”的首席执行官罗德·斯奈德表示：“未来，向上游追溯并要求农民参与将变得越来越重要。”