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一百年前的這個月，德國卡爾斯魯厄大學的一項實驗室實驗為綠色革命奠定了基礎。化學家弗裡茨·哈伯將一片鋨放入一個鋼製腔室中，泵入氮氣和氫氣的混合物，並提高了溫度和壓力。然後，流出了氨，這是生產合成肥料的難以捉摸的原料。這是科學家們追求了十年的一個尤里卡時刻：哈伯成功地創造了必要的條件，將大氣中豐富的但對生命無用的氮氣轉化為可消化的形式。這項工作為哈伯贏得了1918年諾貝爾化學獎。（許多人抗議這項獎勵，因為哈伯在第一次世界大戰期間曾為德國開發和部署氯氣發揮了重要作用。）
一旦在工業規模上實施，氨合成使得農田在接下來的幾十年裡得以廣泛施肥。直接結果是，世界人口在20世紀從16億激增到60億。但是，哈伯的滋養髮現有一個他可能從未想到的黑暗面。長期以來不加選擇地施用的肥料的繁榮，對環境造成了高昂的代價。
現在，根據國際科學理事會環境問題科學委員會（SCOPE）本月晚些時候釋出的一份新報告，社會渴望使用生物燃料來擺脫對石油的依賴可能會適得其反。透過加劇氮汙染，生物燃料生產的常規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，以及熟悉的生態問題。科學家們早就知道，從農田中滲出的肥料（以及從尾氣管和煙囪中排出的少量肥料）中的活性氮在空氣和河流中蔓延時會造成嚴重破壞。當流向海洋時，不守規矩的營養物質經常會引發有害的藻類繁殖，世界各地數百個河口因所謂的季節性死亡區而遭受損失。“我們正在達到死亡區將成為大陸周圍連續帶的地步，”加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯海洋研究所的海洋生態學家傑里米·傑克遜警告說。
解決氮問題是傑克遜呼籲使綠色革命真正綠色的核心，這種觀點得到了世界各地科學家的響應。主要罪魁禍首：所謂的基於甘蔗和玉米糖發酵的第一代燃料。
“在美國，玉米生產乙醇在肥料流入密西西比河方面是一場災難，”康奈爾大學環境生物學家、國際SCOPE生物燃料專案主席羅伯特·霍沃思說。美國2007年透過的《能源獨立與安全法》獲得了兩黨的強烈支援，設定了一個到2022年用玉米生產540億升（143億加侖）乙醇的目標。但SCOPE報告中概述的新研究表明，如果不改變做法，實現該目標可能會使密西西比河的氮流量增加37%。這使得乙醇生產與另一個國家目標形成巨大沖突：將同一河流中的氮流量減少至少40%，以減小墨西哥灣北部死亡區的大小。
玉米是一種麻煩的生物燃料來源，特別是從氮的角度來看，霍沃思說。典型的玉米種植方法是施用高劑量的肥料，這會對周圍環境造成重大損失。與大多數作物相比，玉米的根系非常淺，因此只能利用土壤頂層一到兩英寸（0.4到0.8釐米）的氮。此外，它每年只吸收60天的氮和其他營養物質。其他作物，如大豆和小麥，則具有更深的根系，並且活動時間更長。但是，玉米價格的上漲促使農民種植更多這種“氮洩漏”穀物。為保護目的而預留的土地以及一些活躍的大豆和小麥田正在被重新轉化為活躍的玉米種植。
報告稱，儘管如此，玉米產量的增長也無法使世界實現其乙醇生產目標。例如，美國將其2007年玉米收成的24%用於乙醇，但這慷慨的貢獻僅佔該國液體燃料使用量的1.3%。基於此和其他早期發現，SCOPE報告預計，將用於運輸的液體化石燃料的10%替換為生物燃料可能需要世界三分之一的可耕地，不僅會造成氮汙染問題，還會造成糧食安全問題。
當前的生物燃料目標對全球變暖和人類健康帶來了其他重大問題，霍沃思表示，科學家們“長期以來低估了”這些問題。肥料會釋放大量的氧化亞氮，這是一種溫室氣體，其捕獲熱量的能力是二氧化碳（CO2）的300倍。德國美因茨馬克斯·普朗克化學研究所的諾貝爾獎獲得者保羅·克魯岑及其同事在2007年進行的一項分析表明，對於目前大多數生物燃料作物（包括玉米）而言，任何二氧化碳的節省都將被氧化亞氮和氮氧化物的更高排放所抵消。後者會破壞所謂的“好”臭氧，從而保護生命免受有害紫外線的侵害；它還會促進地面臭氧的產生，地面臭氧是眾所周知的加劇人類呼吸系統疾病的霧霾的主要成分。根據美國環境保護署的資料，數百萬美國人居住在臭氧暴露量超過國家標準的地區。
即使研究人員對生物燃料敲響警鐘，他們也提出了有希望的解決方案。即將出現的是纖維素乙醇，有時被稱為“草汽油”。馬薩諸塞大學阿默斯特分校的化學工程師喬治·休伯表示，這些所謂的第二代生物燃料的原料木材或木質草可以在貧瘠的土地上種植（因此不會與糧食作物爭奪空間），並且需要少得多的肥料。休伯和他的密歇根州立大學同事布魯斯·戴爾表示，成熟的纖維素生物燃料產業將能夠以每桶約50美元的價格與石油競爭，並以每加侖約2美元的價格向加油站輸送燃料。
但是霍沃思指出，這個願景仍需數年才能實現。同時，SCOPE報告表明，即使是草汽油也可能不是生物質的最佳用途：“世界最好直接將纖維素用於燃燒，”霍沃思說。“如果你嘗試以固定方式使用生物質，它會更有效率。” 直接燃燒芒草用於供熱和發電，可以提供比將相同來源轉化為乙醇多2.6倍的能量，並且比從玉米生產乙醇多9倍的能量。證據就在那裡：瑞典35%的家庭和商業建築透過燃燒生物質（主要是附近種植園種植的柳樹）來供暖。
生物燃料目前是一個熱門話題，但圍繞肥料和氮汙染的一系列問題要複雜得多。其中首要的挑戰是需要在世界許多地區使用更多的肥料來對抗飢餓，科羅拉多大學博爾德分校的生態學家艾倫·湯森指出。湯森和霍沃思一樣，在過去的15年裡，花費了大量時間來分析人類對全球氮迴圈的擾動。在發展中世界的許多地區，迫切需要更多的肥料來幫助養活迅速增長的人口，然而，西方的錯誤正在其他地方重演。2月份發表的一項研究表明，中國可以在不降低作物產量的情況下，將其肥料用量減少三分之一。追求肉類密集型飲食（這需要大量生產施肥作物來餵養動物）是湯森和霍沃思指出的另一個問題。
儘管發出了嚴厲的警告，但這兩位科學家都不是悲觀主義者。霍沃思說，哈伯的發現一個世紀以來都是一個奇蹟。我們只需要更明智地應用它。