今天，數十億人的生命歸功於一項一個世紀前的發現。1909年，卡爾斯魯厄大學的德國化學家弗裡茨·哈伯找到了一種將氮氣轉化為氨的方法——氮氣在大氣中含量豐富，但無反應性，因此大多數生物無法利用——氨是合成肥料的活性成分。20年後，當另一位德國科學家卡爾·博世開發出在工業規模上實施哈伯想法的方案時，世界糧食生產能力實現了爆炸式增長。
在隨後的幾十年裡，新工廠將一噸又一噸的工業氨轉化為肥料，如今，哈伯-博世發明作為人類歷史上對公共健康最重大的貢獻之一而受到廣泛尊重。作為綠色革命的支柱，合成肥料使農民能夠將貧瘠的土地變成肥沃的田野，並在同一塊土壤上連續種植作物，而無需等待養分自然再生。因此，全球人口在20世紀從16億激增至60億。
但對人類來說，這個好訊息付出了高昂的代價。我們製造的大部分活性氮——有目的地用於肥料，並在較小程度上作為驅動汽車和工業的化石燃料燃燒的副產品——最終並沒有進入我們吃的食物中。相反，它遷移到大氣、河流和海洋中，在那裡它從行善者轉變為猖獗的汙染者，風格如同傑基爾和海德。長期以來，科學家們一直認為活性氮會導致有害藻類大量繁殖、沿海死亡區和臭氧汙染。但最近的研究表明，生物多樣性喪失和全球變暖也應歸咎於氮，並且有跡象表明，氮可能會增加幾種令人討厭的人類疾病的發病率。
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今天，人類正在加速產生活性氮並將其注入環境，部分原因是越來越多的國家正在大力追求生物燃料合成和肉類生產等肥料密集型事業（肉類密集型飲食依賴於大量種植動物飼料穀物）。在南美洲和亞洲等地區，糧食作物的重度施肥和不受管制的化石燃料燃燒也變得越來越普遍。因此，毫不奇怪，曾經侷限於北美和歐洲的死亡區和其他與氮相關的問題現在正在其他地方湧現。
與此同時，肥料是，並且應該是，在撒哈拉以南非洲和其他營養不良地區發展可靠糧食供應的主要工具。但國際社會必須共同努力，找到更好地管理其使用並減輕其在全球範圍內造成的後果的方法。解決方案並非總是簡單，但它們也並非遙不可及。
過猶不及
解決氮問題需要了解所涉及的化學原理，並確切瞭解氮是如何引發環境問題的。當 N2 氣體分子分解時，這種元素的弊端——和好處——就產生了。所有生命都需要氮，但對於絕大多數生物來說，最大的儲藏庫——大氣層——是遙不可及的。儘管大氣層78%由N2組成，但該氣體是惰性的。自然界使氮可供生命利用的方式依賴於一小群細菌的作用，這些細菌可以打破兩個氮原子之間的三鍵，這一過程稱為固氮。這些特殊的細菌以自由生活狀態存在於陸地、淡水和鹽水中，以及與豆科植物根部的共生關係中，豆科植物構成世界上一些最重要的作物。當閃電襲擊和火山爆發將其烤焦時，也會固定少量氮氣。
在人類開始利用哈伯-博世和其他固氮技術之前，世界產生的活性氮量與另一小組細菌的活性相平衡，這些細菌透過稱為反硝化的過程將活性氮轉化回 N2 氣體。然而，僅在一個人類世代的時間裡，這種微妙的平衡就被徹底改變了。到2005年，人類每年創造超過4000億磅的活性氮，至少是陸地上所有自然過程總和的兩倍。
氮有時被稱為自然界最濫交的元素，當它從非活性狀態釋放出來時，會引起一系列環境問題，因為它可以與多種化學物質結合，並且可以廣泛傳播。無論新的活性氮原子進入大氣層還是河流，它都可能沉積在距離其源頭數十到數百英里的地方，甚至我們星球上一些最偏遠的角落現在也因人類活動而經歷了氮含量升高。也許最陰險的是：一個新生的活性氮原子可以在這些廣泛的環境中彈跳，就像一個逍遙法外的重罪犯。
自食其果
當向玉米地或草坪新增氮時，反應簡單且可預測：植物生長得更多。然而，在自然生態系統中，反應要複雜得多，而且經常令人擔憂。例如，當富含肥料的河水進入海洋時，它們會引發微型植物大量繁殖，這些植物在分解時會消耗氧氣，隨後導致所謂的死亡區。即使在陸地上，複雜生態系統中並非所有植物對氮補貼的反應都相同，而且許多植物都沒有為突然而來的財富做好準備。因此，它們輸給了在新富營養化世界中更具競爭力的新物種。通常，最終結果是生物多樣性的喪失。例如，在歐洲大部分地區的草原上，經過數十年人為造成的來自大氣層的氮沉降後，植物物種減少了四分之一或更多。這個問題非常普遍，以至於最近的一項科學評估將氮汙染列為全球生物多樣性的三大威脅之一，聯合國環境規劃署的生物多樣性公約認為減少氮沉降是保護成功的關鍵指標。
一種稀有植物的消失通常不會引起公眾或政策制定者的關注。但過量的氮不僅會危害其他物種，還會威脅我們自身。《美國國立衛生研究院評論》表明，飲用水中硝酸鹽濃度升高——通常是普通肥料中高硝酸鹽水平造成的水汙染的產物——可能會導致多種健康問題，包括幾種癌症。與氮相關的空氣汙染，包括顆粒物和地面臭氧，影響著數億人，提高了心肺疾病的發病率並提高了總體死亡率。
源於過量氮（以及另一種普遍存在的肥料化學物質磷）的生態反饋可能準備好用大量其他健康威脅來襲擊我們。這種反應會變得多大或多變還有待觀察，但科學家們確實知道，用氮豐富生態系統會以無數種方式改變其生態。最近的證據表明，如果飲用水中攝入過量氮，可能會增加患阿爾茨海默病和糖尿病的風險。它還可能增加空氣傳播過敏原的釋放並促進某些傳染病的傳播。例如，豚草的施肥會增加這種臭名昭著的來源的花粉產量。瘧疾、霍亂、血吸蟲病和西尼羅河病毒顯示出在氮充足時感染更多人的潛力。
這些和許多其他疾病都受到環境中其他物種的行為控制，特別是那些攜帶傳染性病原體的物種——例如，蚊子傳播瘧疾寄生蟲，蝸牛將血吸蟲釋放到水中。蝸牛提供了一個氮如何引發連鎖反應的例子：更多的氮或磷徑流會促進水體中植物的生長，反過來為蝸牛創造更多的食物，並增加這些帶病原體的生物的數量和更快的生長速度。額外的養分也促進了每隻蝸牛產生更多寄生蟲的指數級增長效應。現在判斷營養汙染是否會總體上增加疾病風險還為時過早——在某些情況下，由此產生的生態變化可能會降低我們的健康風險。但隨著未來幾十年肥料的更大規模使用蔓延到疾病豐富的熱帶地區，發生變化的可能性以及因此瞭解其將如何發揮作用的需求正在迅速上升。
越來越多的證據還將活性氮歸咎於氣候變化中日益重要的作用。在大氣中，當活性氮以一氧化氮 (NO) 或二氧化氮 (NO2) 的形式存在時，統稱為 NOx，會導致其主要的有害副產品之一——地面臭氧。這種臭氧形成令人擔憂，不僅因為它威脅人類健康，而且因為在地面，臭氧是一種重要的溫室氣體。此外，它還會損害植物組織，每年造成數十億美元的作物生產損失。透過抑制生長，臭氧會削弱植物吸收二氧化碳 (CO2) 和抵消全球變暖的能力。
當活性氮以一氧化二氮 (N2O) 的形式存在時，它對氣候變化的威脅尤其令人擔憂——一氧化二氮是最強大的溫室氣體之一。一個 N2O 分子的溫室變暖潛能大約是一個 CO2 分子的 300 倍。儘管 N2O 在大氣中的丰度遠低於 CO2，但其目前的大氣濃度造成的變暖相當於 CO2 貢獻的 10%。值得注意的是，過量的氮有時可以抵消變暖——例如，透過與其他空氣傳播化合物結合形成反射入射輻射的氣溶膠，以及透過刺激氮限制型森林中的植物更快生長，從而從大氣中吸收更多的 CO2。但是，儘管氮的加熱和冷卻效應之間的平衡存在不確定性，但大多數跡象表明，人類持續創造過量氮將加速氣候變暖。
該怎麼辦
儘管肥料生產佔目前危害地球的氮的大部分——大約佔人類固氮量的三分之二——但放棄肥料肯定不是一個選擇。肥料對於養活世界太重要了。但是，強調高效利用必須成為解決方案的一部分，無論是在富裕國家還是發展中國家。
富裕國家已經開闢了一條通往農業系統的道路，該系統通常是氮密集型的，並且在關鍵資源利用方面效率低下。它們對氮的利用通常類似於肆意揮霍，投資回報率很低，並且很少考慮其真實成本。在其他地方，有十億或更多人陷入營養不良和貧困的迴圈。撒哈拉以南非洲地區可能最能體現這一點，這些地區的農業生產通常甚至無法滿足基本的熱量需求，更不用說提供收入來源了。在這裡，注入氮肥顯然會改善人類狀況。例如，馬拉維最近採取了向貧困農民供應價格合理的肥料和改良種子品種的政策，導致產量大幅增加並減少了饑荒。
但這種肥料不需要不分青紅皂白地塗抹。證據就在那裡：從美國中西部玉米帶到墨西哥小麥田的研究表明，過度施肥在世界糧倉中已成為普遍做法——並且減少肥料並不一定意味著作物減少。簡單的事實是，作為一個整體，世界有能力透過改變在廉價、充足的肥料和很少考慮其長期使用後果的時代變得普遍的耕作方式，用更少的肥料種植更多的糧食。簡單地減少許多作物的總施用量是一個很好的起點；在許多情況下，肥料用量遠高於確保大多數年份最大產量所需的水平，從而導致對環境的巨大損失。在美國，人們每年消耗的肥料僅略高於農民施用於田地的肥料的 10%。遲早，其餘的最終會進入環境。估計值各不相同，但對於我們許多最常見的作物，四分之一到一半立即隨雨水流出田地或進入大氣。
精準農業技術也可以提供幫助。僅在植物最大需求時在植物根部附近施肥，就是一些較富裕的農業地區已經在使用的方法的一個例子。透過利用全球定位系統技術繪製田地地圖，並結合遙感估算的植物養分水平，農民可以改進對作物需要多少肥料以及何時施肥的計算。但是，高科技裝置成本高昂，許多獨立農民負擔不起，因此這種精準農業並非萬能藥。
解決方案並非都是高科技的。更便宜但仍然有效的策略可以包括種植冬季覆蓋作物，將氮保留在田地中，而不是讓田地裸露數月，以及在高價值作物（如玉米）的行間保持某種形式的植物覆蓋。簡單地在春季播種前而不是秋季施肥也可以產生很大的不同。
世界還可以利用肉類生產的變化。最終進入農作物的氮，大部分進入了豬、牛和雞的口中——其中大部分然後以打嗝、尿液和糞便的形式排出。儘管減少全球肉類消費將是一個有價值的步驟，但肉類蛋白仍將是大多數人類飲食的重要組成部分，因此其生產效率也必須提高。改變動物飲食——例如，給牛喂更多的草和更少的玉米——可以在小範圍內有所幫助，更好地處理動物糞便也可以有所幫助，就像人類糞便的汙水處理設施一樣，可以將更多的活性氮轉化為惰性氣體，然後再將其釋放到環境中[參見 Nathan Fiala 的“溫室漢堡”；《大眾科學》，2009年2月]。
在能源方面，能源約佔世界過量氮的 20%，透過更好地在煙囪和其他工業汙染源中部署 NOX 洗滌技術，可以從當前的化石燃料排放物中去除大量活性氮。除此之外，持續的全球努力以提高能源效率並轉向更清潔、可再生的能源將使氮排放量與碳排放量一起下降。淘汰最老舊、效率最低的發電廠，提高車輛排放標準，並在可能的情況下，將發電從傳統燃燒轉變為燃料電池，都將產生有意義的改變。
當然，一種可再生能源——玉米制成的生物燃料——正在產生對肥料的新需求。自 2000 年以來，美國玉米乙醇產量驚人的增長——增長了近四倍——已經對密西西比河下游增加的氮流量產生了明顯的顯著影響，密西西比河將過量的肥料帶到墨西哥灣，在那裡它為藻類大量繁殖提供燃料並造成死亡區。根據環境問題科學委員會（當時是國際科學理事會的一部分）去年 4 月釋出的一份報告，生物燃料生產的照常營業方法可能會加劇全球變暖、糧食安全威脅和人類呼吸系統疾病，以及這些常見的生態問題。
如何完成
社會已經擁有各種技術工具，可以更有效地管理氮，在大大降低風險的同時保留其許多好處。至於我們的能源挑戰，轉向更可持續的氮利用並非易事，也沒有靈丹妙藥。此外，技術訣竅是不夠的：如果沒有經濟激勵和其他政策轉變，所有這些解決方案都不太可能解決問題。
氮汙染在世界各地迅速上升的速度表明需要進行一些監管控制。實施或加強環境標準，例如設定可以進入地表水的最大日負荷量，並確定化石燃料排放物中允許的活性氮濃度，可能是必不可少的。在美國和其他國家，國家和地區層面都在推行監管政策，並取得了一些成功[參見 Laurence Mee 的“復甦死亡區”；《大眾科學》，2006年11月]。隨著急需的政策變化將肥料帶到綠色革命在很大程度上繞過的世界地區，這些地區應從一開始就採用可持續的解決方案——以避免重蹈美國和其他地方所犯的錯誤。
即使沒有因超出排放標準而處以罰款的監管威脅，也可能出現有希望的改進。基於市場的工具，例如可交易許可證，也可能有用。這種方法在工廠二氧化硫排放方面被證明非常成功。針對 NOX 汙染採取類似方法的做法已經在進行中，包括美國環境保護署於 2003 年啟動的 NOX 預算交易計劃。這些政策可以擴充套件到肥料徑流和牲畜排放——儘管後者比燃煤發電廠的煙囪更難監測。
解決該問題的其他方法也開始站穩腳跟，包括在農業區更好地利用景觀設計，特別是確保靠近水體的農田邊緣有中間溼地，可以顯著減少進入地表水和沿海海洋的氮輸入。受保護的河岸區，如美國保護儲備計劃推廣的河岸區，可以發揮雙重作用：它們不僅可以減少氮汙染，還可以為候鳥和許多其他物種提供重要的棲息地。
取得實質性進展可能還需要重新思考農業補貼。特別是，獎勵環境管理的補貼可以迅速改變標準做法。美國農業用地信託基金最近執行的一項非營利性實驗顯示出希望。農民同意減少肥料用量，並將降低肥料購買成本節省的一部分投入到公共基金中。然後，他們以降低的比例為大部分作物施肥，同時為小塊試驗田重度施肥。如果這些試驗田的產量超過整個田地的平均產量，則該基金會支付差額。
正如我們中的一位（霍沃思）在 2005 年的千年生態系統評估報告中指出的那樣，鑑於目前許多作物過度施肥的趨勢，這種支付很少需要。美國中西部上游糧倉（為墨西哥灣死亡區提供燃料的大部分氮汙染的來源）的普通農民通常使用的氮肥比農業推廣人員建議的氮肥多 20% 到 30%。正如預測的那樣，參與這項實驗和類似實驗的農民減少了肥料用量，作物產量幾乎沒有下降，並且因此節省了資金，因為他們投入基金的金額少於他們因購買更少的肥料而節省的金額。因此，這些基金在沒有納稅人補貼的情況下增長。
最後，更好的公共教育和個人選擇可以發揮關鍵作用。正如許多人已經開始減少自己的能源消耗一樣，各行各業的人們也可以學習如何選擇氮密集度較低的生活方式。
一個重大改進是美國人少吃肉。如果美國人轉變為典型的地中海飲食，其中平均肉類消費量僅為當今美國水平的六分之一，那麼不僅美國人的健康會得到改善，該國的肥料用量也將減少一半。飲食和農業習慣的這種轉變可以同時降低環境氮汙染並改善公眾健康：富裕國家的氮密集型農業習慣導致蛋白質過高、通常不均衡的飲食，這與從心臟病和糖尿病到兒童肥胖症的健康問題有關。
做出旨在減少個人碳足跡的個人選擇可以有所幫助——不僅在工業方面，例如支援風能和混合動力汽車，而且在農業方面也是如此。少吃肉、吃當地種植的食物以及吃草飼牛肉而不是玉米飼牛肉都可以同時解決碳和氮問題。僅靠個人選擇不太可能解決問題，但歷史表明，個人選擇可以促使社會走上新的道路。長期以來被忽視為假設的氣候與能源生產之間眾所周知的權衡現在隨處可見，從總統演講到路邊廣告牌再到萌芽的監管計劃。
不幸的是，氮問題在一個關鍵方面比碳問題更棘手。在解決後者時，致力於未來有一天在不產生 CO2 排放的化石燃料的情況下生產能源是合理的。但是，設想一個無需生產大量活性氮的世界是不可能的。合成肥料過去是，並且將繼續對滿足世界糧食需求至關重要。然而，如果我們繼續走照常營業的道路，氮產量繼續上升，我們將面臨這樣一個未來：弗裡茨·哈伯發現的巨大好處將越來越被其缺點所掩蓋。
儘管如此，正如我們在此處論證的那樣，氮迴圈問題可以通過當前的技術以相對實惠的成本大大減少。我們能夠而且必須做得更好。這將需要立即的和持續的努力，但可持續的氮未來是完全可以實現的。