氮是作物的重要養分，但土壤很少能產生足夠的氮來維持過去50年中人口增加了一倍多的世界人口所需的持續耕種。近一個世紀以來，合成肥料彌補了這一差距，提高了作物產量。然而，我們過度放縱了，產生了大量的廢物。在全球範圍內，用於生產肉類和乳製品的氮的90%以上，以及用於種植植物性食品的氮的80%被排放到環境中。它汙染了溪流、湖泊和海洋以及飲用水，並助長了藻類和其他生物的生長，這些生物會使魚窒息並殺死植物。作物和牲畜吸收的大部分氮，以及我們因此攝入的氮，會以汙水形式排出體外，如果未經充分處理，就會成為氮汙染的重要來源。
弗吉尼亞大學的生物地球化學家詹姆斯·加洛韋（James Galloway）表示：“氮汙染是我們面臨的最大環境挑戰之一”，他研究這個問題已經近40年了。“氮對糧食安全至關重要，但它顯然正在危害人類和環境健康。”
其中一個後果是墨西哥灣，它是氮汙染的典型代表。流入密西西比河並流入墨西哥灣的農業徑流已經造成了“死區”，魚類無法生存。氮肥還會導致氣候變化；一氧化二氮是施肥的副產品，是一種強效且持久的溫室氣體。肥料中的氮蒸汽與工業排放物在空氣中結合，形成微小的固體顆粒，這些顆粒會侵入我們的肺部並導致心臟或肺部疾病。硝酸鹽是氮的可溶形式，飲用水中高濃度的硝酸鹽會導致嬰兒高鐵血紅蛋白血癥，這種疾病被稱為“藍嬰綜合徵”，可能致命。
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作為一種汙染物，氮並沒有像二氧化碳那樣引起個人、組織、城市或國家的關注。但這正在開始改變，部分原因是新興的法規和科學工具正在提高對這個問題的認識並幫助人們解決它。農業，包括食品的生產和消費，是主要因素。根據美國環境保護署的資料，在美國，農業佔氮汙染的65%，其次是來自車輛和發電廠的排放（20%）以及工業（15%）。
加洛韋和其他研究人員正在努力幫助解決這個問題。例如，他和他的同事艾莉森·利奇（Allison Leach）開發了一種名為N-Print的線上工具，這是一個氮足跡計算器，旨在幫助個人和機構衡量其食品和能源消耗產生的汙染量，然後他們可以應用這些知識來縮小他們的氮足跡。透過彙編人均資料，各國最終也可以計算出他們的足跡。人均足跡定義為從所有來源釋放到環境中的活性氮總量，所有活性氮化合物（惰性氮氣（N2）除外，例如我們大氣中的氮氣）。
除了農業變革之外，近年來，市政當局越來越關注如何處理廢水或汙水。升級廢水處理設施以及家庭化糞池系統可能很昂貴，但這些措施可以顯著地恢復水體的健康。荷蘭路易斯·博爾克研究所綜合氮研究教授兼執行長揚·威廉·埃里斯曼（Jan Willem Erisman）表示：“廢水處理顯然是解決方案的一部分，特別是在限制氮流入河口方面。”他指出，人類排洩的食物中排放到環境中的氮中，大約一半可以透過適當的廢水處理來減少。
汙水解決方案
根據利奇領導的研究，美國人均足跡（每年每人41公斤）遠大於許多歐洲國家，例如荷蘭（24公斤）和奧地利（20公斤），這可能並不令人意外。荷蘭的一個關鍵因素是廢水處理的改進。先進的處理將活性氮（Nr）轉化為N2，這一過程稱為反硝化作用，可去除高達78%的氮，與美國的5%去除率相比，這是一個巨大的進步。許多其他國家的去除率也很差。
然而，美國的一些地區和城市正在取得進展。《清潔水法》規定各州維護健康的水道，這為監管機構和環保主義者提供了打擊廢水處理廠等“點源”氮汙染的法律工具。切薩皮克灣一直因氮引起的死區、大量魚類死亡以及螃蟹和漁業收入減少而臭名昭著，但由於廢水處理設施的升級，切薩皮克灣取得了長足的進步。根據專注於保護海灣的非營利組織切薩皮克灣基金會的資料，處理廠的氮汙染量從1985年佔總負荷的28%下降到2015年的16%，下降了43%。這些改進還減少了磷汙染。“廢水[處理]絕對是進步的亮點。大部分進展都來自於此，”該基金會的首席科學家貝絲·麥吉（Beth McGee）說。
沃克頓廢水處理廠的一名工人在新清空的儲罐中噴水。圖片來源：Peter Power/多倫多星報 via Getty Images 攝
州和聯邦機構設定的目標是將進入切薩皮克灣的氮總負荷從所有來源減少39%——從1985年的143500多噸減少到2025年的約87000噸。那是切薩皮克灣計劃開始追蹤氮和其他汙染物的那一年，切薩皮克灣計劃是州政府和其他政治實體以及地方機構、非營利組織和環保署的區域聯盟。根據麥吉的說法，截至2014年，該多州地區的氮排放量約為112400噸，距離實現目標還差一半多一點。該基金會一直在使用加洛韋和利奇開發的氮計算器，以提高居民對其個人氮足跡的認識，包括馬桶裡的東西。例如，少吃肉會降低足跡，因為生產肉類需要大量的氮。
另一個透過汙水處理取得進展的地方是馬薩諸塞州的西法爾茅斯，它是旅遊小鎮法爾茅斯的一部分，該鎮位於科德角的西南角，約有30000名居民（夏季約為90000名）。2002年，法爾茅斯獲得了一個任何城鎮都不希望獲得的稱號：根據聯邦《清潔水法》列入“髒水名單”。氮汙染是主要原因，特別是來自集中處理廠處理後的人類廢水的硝酸鹽。（該工廠處理廢水，然後將其排放到大型沙床中。處理後的廢水隨後滲入地下水，最終流入港口。）西法爾茅斯工廠的氮汙染佔流入港口的70%，而化糞池系統的氮汙染佔30%。受害者包括本地鰻草和海灣扇貝。
該名單引發了對該鎮西法爾茅斯地區實施的嚴格營養限制。2005年，該鎮升級了其處理廠，以便去除氮，這在以前沒有做過，在美國很常見，令人驚訝。據巴扎茲灣聯盟的高階律師科林·彼得森（Korrin Petersen）稱，毗鄰的巴扎茲灣的水質有望很快得到改善。該工廠的原始許可證允許每百萬分之五十或每升50毫克的氮排放——這一限制反映了以前較弱的法規和不良的水處理技術。
新許可證將限值設定為每百萬分之三，這與目前的水平大致相同。該鎮還在努力升級港口90米內的家庭化糞池系統。“這不是一年內就能扭轉的事情，但我們已經看到流入海灣的氮汙染顯著減少，”彼得森說。“我將其定義為成功案例，因為這個社群為升級付出了很多努力。”越來越多的美國城市正在效仿。
計算氮和碳
加洛韋希望，一旦個人、組織、城市和國家透過氮足跡計算器等工具更好地瞭解、衡量並最終改變其生態影響，他們就能成為解決方案的一部分。例如，在去年12月的巴黎氣候談判中，一些大型公司承諾透過清理包括氮在內的整個供應鏈，大幅削減其產品和服務產生的溫室氣體排放。
更好的計算器可能會有所幫助。Galloway和Leach設計的計算器主要衡量個人和機構因食物消費而產生的氮足跡，包括相關的食物生產和加工。但是，這兩位研究人員以及其他科學家也在開發綜合計算器，以更全面地瞭解環境影響，因為許多汙染物之間會相互作用。例如，他們正在為大學設計一個氮和碳的綜合計算器。“如果機構已經計算了碳足跡，他們可以使用大部分相同的資料來計算氮足跡，並做出更好的管理決策，”Leach說。
其他研究人員和組織正在建立模型，以計算農業和其他部門產生的綜合汙染物。例如，“從田野到市場”（Field to Market）是一個旨在使農業更具可持續性的非營利組織。該組織使用一個名為Fieldprint 計算器的工具，與包括玉米、棉花、水稻和大豆在內的多種作物的生產者合作。該線上工具估計特定田地在八個“可持續性指標”上的表現，其中包括兩個專門針對氮的指標——水質和溫室氣體排放。水質包括硝酸鹽徑流進入地表水以及透過土壤的滲濾；溫室氣體包括與肥料施用量和農場管理實踐相關的土壤中的一氧化二氮排放。
生產者可以使用該工具將其表現與當地、州和全國平均水平進行比較。“從田野到市場”的客戶包括向聯合利華旗下品牌好樂門蛋黃醬供應豆油的大豆種植者。“從田野到市場”的執行長羅德·斯奈德表示：“未來，向上遊追溯並要求農民參與將變得越來越重要。”