節選自《顯而易見的水：乾渴世界的希望》，作者 Judith D. Schwartz，經聖馬丁出版社許可。版權所有 2016年。
談到灌溉，水不僅僅是水。
這對於約翰·肯普夫來說是信條，他是一位俄亥俄州的農民，畢生致力於改善作物健康和農業產量。 2006年，肯普夫創立了 Advancing Eco Agriculture 公司，這是一家為農民提供諮詢服務的公司，提供作物樣本的測試和分析，並推薦各種植物營養處理方法以提高作物產量。
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用於作物的水源——無論是井水、河水還是水庫水——所含的礦物鹽各不相同。水中鹽分的含量被稱為“硬度”，通常以每加侖多少格令來描述。（“鹽”在這裡不是指撒在炒雞蛋上的鹽，而是指帶正電荷[陽離子]和負電荷[陰離子]的元素的組合。）肯普夫表示，水質差，特別是碳酸鈣（石灰）含量高的水是一個在公共農業討論中經常被忽視的問題——但這個問題會影響作物生產，並且具有諷刺意味的是，會導致更高的用水量。
“礦物質的含量不僅影響植物吸收水分的能力，還影響植物吸收營養的方式，”肯普夫說。“硬水需要更多的能量，也因此需要更多的營養來分解它。當水質較差時，就需要更多的水。” 農場確實會定期測試水質，他說，當潛在客戶的水源超過每加侖五格令時，他建議進行處理。
“當農場用劣質水灌溉時，會產生多種影響，”他說。“它會束縛所有以肥料形式施用的養分。它會顯著抑制土壤生物。通常發生的情況是，碳酸氫鈉和碳酸氫鈣會在土壤剖面中積累。這會導致鹽鹼化。”
透過束縛養分和抑制土壤中的生物過程，硬水削弱了植物達到更高健康水平的能力。這導致作物的抗逆性降低，並排除了健壯植物所具有的節水效率。此外，可能需要額外的水來糾正與劣質水相關的問題。例如，土壤鹽鹼化通常透過用大量水沖洗該區域來解決。這就是為什麼鹽鹼化往往是澳大利亞和加拿大和美國北部大平原等乾燥地區的一個問題。例如，在佛蒙特州，充沛的雨水很容易沖走過多的鹽分。然而，肯普夫不僅僅是在談論像加利福尼亞這樣的地方，他說那裡的情況是地方性的。“俄亥俄州、賓夕法尼亞州和整個中西部地區都有這個問題，”他說。“但沒有人談論它。”
在每個生長季結束時，Advancing Eco Agriculture 團隊都會聚集在一起進行彙報。“我們作為一個小組坐在一起，瀏覽我們所有的客戶名單，”肯普夫說。“誰獲得了我們期望的結果？我們對誰的結果不滿意？農民可能會欣喜若狂。 他可能獲得了 20% 或 30% 的產量增長。但在許多情況下，我們可能會覺得這裡還有很多潛力，還有很多改進的機會。”
“當我們在 2014 年秋季進行這個過程時，我們發現，按照我們的標準，所有經營不善的農場都有一個共同因素。那就是他們的水質差。特別是，他們正在用劣質水進行葉面施肥[直接噴灑在葉子上]。無論何時農民用硬水進行施肥，特別是含有碳酸氫鹽的水，我認為都不會 100% 有效。” 他說，情況已經到了公司除非水質問題得到解決，否則不會與客戶合作的地步。“如果一個農民想與我們合作，但水質很差，我們不會向他出售產品，除非他更換水源，因為我們知道該計劃不會奏效，他會把責任歸咎於我們。”
該公司對葉面施肥用水設定了每加侖五格令硬度的限制，對灌溉用水設定了十格令的限制。“在這個國家農場使用的所有水中，有 85% 都超過了這個範圍——超過每加侖五格令，”肯普夫說。“我們在中西部地區聽不到這個問題，因為我們有雨水沖刷土壤中的毒素。如果我們不下雨，我們也會遇到與加利福尼亞州相同的問題，只是程度較輕。”
不討論氮就無法充分解決水質問題。 克里斯汀·瓊斯是一位土壤生態學家，她組織了關於最佳化景觀健康和農場生產力的著名研討會和會議。據她介紹，全球農民每年在農田和牧場上施用超過 1000 億美元的氮肥。其中實際上只有不到一半被植物吸收。其餘的 60% 到 90% “會滲入水中，揮發到空氣中或固定在土壤中。” 過量的氮必然會引起問題。就大氣而言，化肥使用量的增加與一氧化二氮排放量的增加有關，一氧化二氮是一種溫室氣體，其影響是二氧化碳的 300 倍。就水而言，美國農業部經濟研究服務局估計，每年從市政供水中去除硝酸鹽的成本超過 48 億美元。我們可以將墨西哥灣藻類大量繁殖和 6000 平方英里的死區歸咎於過度使用和管理不善氮（和磷）肥。由於氮肥相對便宜，農民有動力多施而不是少施。聯合國糧食及農業組織建議，全球氮肥使用量將繼續增長，到 2018 年將超過 2 億公噸（2.2 億噸）。
瓊斯說，廣泛使用氮肥造成的生態後果遠遠超出汙染。無機氮以導致更多用水量的方式改變土壤中的生物系統。正如我在 2014 年在新墨西哥州阿爾伯克基舉行的 Quivira 會議上聽到她闡述的那樣，問題在於“為了追求產量，我們已經解開了碳、氮和水之間的聯絡。”
如果說灌溉是農業的故事，那麼氮就是推動綠色革命故事發展的動力。所有生物都需要氮；氮化合物，如氨基酸，是蛋白質生產的核心。碰巧的是，周圍有很多氮——它佔我們大氣層的 78%。然而，N2 氣體非常穩定，植物無法利用。氮需要透過閃電或土壤中的固氮細菌或豆科植物根瘤中的固氮細菌來“固定”——即切斷其鍵。 可利用的氮也存在於動植物廢棄物中，但釋放緩慢。在系統中保持足夠的氮一直是農民面臨的持續挑戰。大多數農民依賴糞肥、堆肥和輪作或覆蓋作物，特別是豆科植物，如豌豆和三葉草。
1909 年，隨著哈伯-博世法的出現，一切都發生了變化。哈伯-博世法是一種能源密集型和高溫方法，可以從氮氣中合成植物可用的氮形式，實際上是從空氣中製造肥料。氮肥的生產帶來了作物產量的增加、工業規模的農業運營以及高產植物品種的出現——所有這些都是綠色革命的特徵，綠色革命始於 20 世紀 40 年代，既服務又推動了世界人口的急劇增長。（哈伯-博世技術也促進了工業戰爭，因為它對芥子氣、硝化甘油和 TNT 等炸藥的大規模生產至關重要。）
瓊斯強調了天然系統中含量最豐富的有機氮與合成肥料中發現的無機氮之間的區別。她說，當植物變黃時，就可以判斷出植物缺氮。作為一名業餘園丁，我知道這一點，因為我的番茄有時會變黃，尤其是在下部的葉子上。但是，如果我現在，在初夏時節，從我坐在後院的平臺上向四周望去，我可以看到各種樹木和灌木以及勢不可擋的獼猴桃藤蔓的全景，但任何地方都看不到絲毫黃色。那麼，不知何故，我房產周圍的這些植物正在獲得它們每天所需的氮。閃電的分佈並不那麼均勻，而且除了草叢中的一些三葉草外，豆科植物也很少。因此，這一定是透過與固氮細菌的結合來實現的。
“我從未在自然生態系統中見過缺氮植物，”瓊斯說。“顯然，我們在農業中做的一些事情正在干擾氮的生物固定。” 抑制自然固氮的做法包括保持休耕地、不適當的放牧、使用殺菌劑和殺蟲劑以及施用高劑量氮肥。她稱氮是“雙刃劍”，因為新增氮雖然提供了明顯的效果，但同時也會破壞作物賴以生存的系統。瓊斯說，農場變得依賴合成氮來補償受損的土壤；他們需要像戒毒一樣戒掉它。
固定氮以氮化合物（如氨基酸）的形式轉移到植物的過程是透過菌根真菌的菌絲進行的。真菌本身並不固定氮。相反，氮化合物是菌根真菌經常充當經紀人的貿易網路的一部分。在蓬勃發展的土壤系統中，植物透過根部向外輸送碳滲出物。這些糖與微生物和真菌進行交易，以換取植物所需的礦物質，包括氮，通常是透過菌根中介。
如果我們將視野放大到細胞層面，我們會看到氮和碳是密不可分的：葉綠素是光合作用發生的地方，是蛋白質複合物的一部分，這意味著它必須含有氮。因此，沒有氮就無法實現光合作用。與此同時，植物無法在沒有可以交換氮的碳化合物的情況下獲得氮。
在將氮施與植物而不要求它們用碳“支付”的情況下，我們已經擾亂了這種安排。“當作物和牧場表現不佳時，我們往往想在土壤中新增一些東西來修復它，通常是氮。透過使用無機氮，我們正在使途徑短路，”瓊斯說。 “植物不需要向微生物提供碳以換取氮，因此植物也無法獲得微生物正在提供的其他營養物質。”
由於無需處理碳，植物變得懶惰。“由於合成氮的使用，土壤中碳流失，”瓊斯說。“因此，土壤不再具有結構，保水能力降低。而且由於植物沒有獲得微量元素，植物的免疫力下降。這使得它們容易受到病蟲害的侵襲，現在農民需要昂貴的農藥。這會擾亂食物鏈。此外，我們需要更多的水，因為土壤無法保持水分。” 她強調，植物可能看起來很好——當然沒有變黃，因為氮含量很高——但支撐它們的基石正在瓦解。
瓊斯敦促我們不要低估這些她統稱為“微生物橋樑”的無形聯盟。“我們必須記住，植物不能移動，但它們會發出訊號。礦物質不僅僅漂浮在土壤中，它們是被束縛的。它們需要細菌和真菌酶來釋放它們。植物為這些生態系統過程提供生化能量，即燃料。” 這樣做，植物有助於構建土壤。