维持生命的营养物质变成了致命的污染物

本文最初发表于Ensia．

沿海死亡区、全球变暖、藻类过度繁殖、酸雨、海洋酸化、烟雾、饮用水质量受损、臭氧层空洞扩大和生物多样性丧失。看似各种各样的问题，但它们之间有一条共同的线索:人类破坏了单一化学元素氮与环境的相互作用。

氮是绝对至关重要的生命——DNA不可或缺的成分,蛋白质和几乎所有的活组织——但它也可以抑制水生生态系统的生命,破坏树木和患病的人当它出现在过剩在错误的地方,在错误的时间,错误的形式。在过去的一个世纪里，人们释放了很多这种类型的氮被称为活性氮，科学家们说我们已经找到了通过了限制地球能安全处理的事情。

农田里发生的事情可以在下游和离岸数英里处显现为藻类。

通过过度和低效的化肥使用、农业相关的氮排放和富含营养的废水，以及化石燃料和生物质燃烧，向环境释放如此多的氮，其结果是造成了这一系列不利影响环境影响．这些影响正在世界范围内发生，并因气温变暖而加剧。虽然氮的问题受到的压力要小得多，但我们对自然形成的氮平衡的破坏甚至超过了碳平衡。

虽然有很多因素导致了这个问题，包括能源使用、城市径流和污水，但农业是破坏环境的氮的最大来源。根据研究这一问题的科学家的研究，目前农业中使用的氮(主要是合成肥料和其他肥料，如粪肥)约有80%在食品供应链的某个点流失到环境中。这些损失发生在农场和食品生产、销售、分销、准备和消费方面。或者，正如弗吉尼亚大学(University of Virginia)环境科学教授吉姆·加洛韦(Jim Galloway)所说，“从农田和裸露的土壤到污水处理厂的整个过程中”都有损失。

阿姆斯特丹大学综合氮研究教授、the路易Bolk研究所在荷兰，人们不把它与食物和食物生产联系起来。

事实上，根据新罕布什尔大学自然资源与环境研究博士候选人艾莉森·利奇的研究，在美国、欧盟、日本，可能还有中国和其他地方，食物占人均氮足迹(个人对氮污染的贡献)的75%以上。有哪些科学家正在研究氮足迹该项目旨在提高人们对这一问题的认识。

事实证明，肉类和其他食物链顶端的动物产品——它们在成为食物之前消耗了最多的资源——是造成过量氮的最大罪魁祸首之一，这种形式会对环境造成破坏。

农田里发生的事情可以在下游数英里处显现为藻类。这种氮污染是有害藻类大量繁殖的原因切萨皮克湾,五大湖和墨西哥湾；因为去年的饮用水危机托莱多；和“蓝婴综合症”,这是一种潜在的致命的缺氧障碍，对世界各地的婴儿造成了伤害。

埃里斯曼解释说，让人们意识到这些联系的部分困难在于，它们经常以“遥远地方的干扰”的形式出现。例如，在农田里发生的事情可以表现为许多英里下游和离岸的藻类，或者出现在地下水向与污染源没有直接联系的居民提供井水。把水污染或空气污染与食物选择联系起来就更牵强了。

但在解开为什么一个芝士汉堡将扩大你的氮足迹比大米和豆类,它有助于理解我们如何到达我们现在的地方——氮过剩创造危险river-choking藻类大量繁殖,fish-killing死区、不安全饮用水和在世界各个城市举办的健康水平的烟雾以及氮在环境中的作用。

首先，重要的是要知道，构成地球大气很大一部分的氮不是活性的，而是惰性的。为了让这些氮被植物和其他生物利用，它必须转化为所谓的“固定”或反应形式。在自然界中，这一过程的主要方式是通过生活在土壤和植物根部的微生物将惰性氮转化为氨，氨是一种反应形式，可用于植物生长，也是植物生长所必需的。

虽然植物需要这种活性氮才能茁壮成长，但如果过量的活性氮进入环境，就会造成一系列不利影响。氨并不是活性氮的唯一形式;其他人,一氧化二氮，氮氧化合物，硝酸盐和亚硝酸盐(PDF)-也可能成为严重的空气和水污染物，并引发呼吸道、心血管和其他疾病。理解这个问题及其解决方案的关键是，这种过载并不是自己发生的。

如果没有人类的某种干预，世界上对植物生长至关重要的活性氮的自然供应是相对有限的。因此，到20世纪初，很明显，这种形式的氮无法提供足够的食物来养活不断增长的人口。

这个问题是由这项发明以一种“固定”的形式向植物提供氮的合成肥料。农业生产率飙升。但这些肥料的使用效率不高，导致大量活性氮释放到环境中。根据加洛韦、利奇和同事的说法，到2010年，人类活动产生的活性氮数量至少是自然系统的5倍。

科学家们发现，这种释放可以持续几十年。施肥田地产生的一氧化二氮不仅是一种强有力的温室气体，而且一项关于美国中西部化肥使用的新研究表明，过量的氮可以在土壤中积累，导致几十年的地表水和地下水污染，包括饮用水水井不安全的硝酸盐水平可能导致，例如，蓝宝宝综合症。

这项研究的合著者、滑铁卢大学(University of Waterloo)地球与环境科学及土木与环境工程教授南迪塔•巴苏(Nandita Basu)写道，即使现在停止施肥，氮污染也会持续多年。

与此同时，随着20世纪初农业生产率的飙升，越来越多的化石燃料被燃烧，向大气中释放出更多的活性氮。城市化和人口增长也增加了这一负担，但约四分之三的活性氮来自农业。考虑到人们对肉类和奶制品的需求不断增长，我们现在种植的占世界可耕地的三分之一根据联合国粮食和农业组织的数据，它们最终会成为牲畜的饲料。

肉类的氮足迹很大

“肉类和植物的选择非常重要，”埃里斯曼说。“植物的养分利用效率远高于肉类。”此外，为了生产肉类，你必须首先种植谷物或其他饲料——任何动物吃的植物产品。因此，生产肉类所含的氮量是植物性食品的许多倍。这意味着，在冰箱中储存肉类，在全球活性氮负担中扮演着重要角色。

马里兰大学环境科学中心的汤姆·费希尔教授说:“我们正在种植肉类。角点实验室．“我所在的德尔马瓦半岛(Delmarva Peninsula)的大部分农业都是为家禽行业种植谷物。人们选择吃肉，他们创造了一个鸡市场，家禽行业创造了一个谷物市场。”

在冰箱里放上肉是全球活性氮负担的重要组成部分。

而且生产牛肉和猪肉比生产鸡肉需要更多的饲料。确切的数字取决于如何估计资源的使用，但根据Erisman和其他研究人员通常生产2磅牛肉需要13磅的活性氮，2磅猪肉需要7磅，2磅鸡肉需要5.5磅的氮。埃里斯曼还指出，由于不均衡的食物选择，世界上大约20%的人口消耗了大约80%的化肥。

马里兰大学环境科学中心阿巴拉契亚实验室(Appalachian Laboratory at University of Maryland’s Center for Environmental Science)教授兼主任埃里克·戴维森(Eric Davidson)说:“当涉及到食物选择时，动物食品的频率、分量以及动物产品的混合会对氮足迹产生很大影响。”

看看N-Print项目氮足迹计算器说明了这一点。根据该组织的数据，美国食品中氮的平均足迹是每年61磅，这是对食品生命周期、生产和消费中涉及的所有氮的估计。如果一个素食者每周只吃两个鸡蛋，并且限制乳制品(包括奶酪)的摄入量不超过15份，那么他的体重就会减少到24磅。非素食者,如果只吃家禽肉类消费是有限的(没有牛肉或猪肉)四次一个星期(基于7-ounce份),氮足迹将减少约三分之一甚至没有其他变化“平均”美国饮食习惯(吃五个鸡蛋和26份奶制品和奶酪一周)。

虽然饲养牲畜和家禽的氮足迹特别大，但另一个负荷是在食品加工时。埃里斯曼解释说:“在食品加工过程中有很多浪费。食物浪费意味着氮的流失因为食物没有被消费。还有更多的氮最终通过零售和消费者的食物浪费流失到环境中。考虑到对生产了三分之一的食物在全球范围内，每年都被浪费或损失，这是非常重要的，因为替换这些食物意味着使用和释放更多的活性氮。一个最近的估计每年由于全球消费者食物浪费造成的氮损失为290万吨。

因此，除了提高农业中氮的利用效率、减少化石燃料的使用和遏制城市径流外，改变食物选择和减少食物浪费可以显著有助于减少全球活性氮负担。

离开了农场

不过，美国农业部自然资源保护署能源与环境市场负责人钱伯斯(Adam Chambers)说，“氮污染的最大单一来源是农田。”他解释说，当合成肥料或粪肥被施用到农业土壤中，但没有被植物完全吸收，它就会通过挥发或冲刷田地的方式进入环境。当施用的肥料超过植物的使用能力时，多余的氮会随雨水和灌溉水流失。

瓦莱丽·丹托因(Valerie Dantoin)在威斯康星东北技术学院(Northeast Wisconsin Technical College)教授可持续农业，她和丈夫里克·亚当斯基(Rick Adamski)经营着一家有机乳品农场，她说，某些耕作方式和方法加剧了这种流失。她解释说，当农田过度耕作时，固氮的土壤微生物就会被破坏。她说，“解决办法是覆盖作物的多年生根和叶”，同时增加土壤中的有机物，这“促进了土壤中的微生物生命”。这导致氮缓慢地释放到植物中，这比容易被冲走的合成肥料更有效。

钱伯斯说，高效利用氮——有时被称为“精准农业”的关键——可以减少一氧化二氮的排放，还可以减少一氧化二氮流入溪流，最终流入切萨皮克湾、五大湖和墨西哥湾等地。施肥的时机也是减少径流的关键。钱伯斯解释说，暴雨在其中发挥了重要作用。如果“一晚上下2英寸的雨，植物没有准备好吸收氮，排放就会大幅增加。”他说，即使一年发生两次这样的事件也会产生影响，促使氮大量流失，其中一些也会蒸发。

“在我们的地区,70%的农业径流发生在17天,“Dantoin说,在大的春雨,这通常发生在一年之前,就是以后年度作物种植,当植物尚未充分利用的氮。雨水也会在秋天降临，因为农作物不再使用氮。她说，要纠正这个问题，“我们所要做的就是纠正这17天。”这就意味着要在植物能充分利用肥料的准确时间施肥，而且，为了避免过量的肥料滞留在土壤中，被大雨冲走，施肥不能超过植物的用量。

(氮污染)最大的单一来源是农田。

一些农民，如丹托因和费雪在马里兰州合作的一些农民，正在进行一项流域规模的试验，以减少流向切萨皮克湾的养分，他们正在种植覆盖作物，并建立排水系统，吸收水分，而不是让水分从土地上倾倒。另一些则使用旨在帮助植物更有效地吸收氮肥的产品。

这些包括产品与肥料一起工作的方法可以稳定或抑制氮对环境的损失，格雷格·施瓦布解释道科赫农艺服务美国是这个市场上的一家公司。他说:“它帮助农民更有效地使用化肥。最终可以提高作物产量。戴维森和其他人说，有效使用肥料，并在正确的时间施用适量肥料是关键，因为这样的做法消除了经济和环境上代价高昂的浪费，并有助于作物生长。

现在市场上有很多这样的氮效率产品，美国环境保护基金(Environmental Defense Fund)发起了一个名为NutrientStar帮助农民比较氮肥管理工具。正确的选择是很重要的，因为“氮很难管理，”Steve Sibulkin说Adapt-N这就是氮数据管理工具。他说:“很多东西会影响氮的行为:作物、土壤类型、天气。”所以对一个农场有用的东西——甚至是对一个农场的特定田地有用的东西——在其他地方可能就行不通了。

大规模减少氮的工作仍在进行中

虽然美国对许多含氮污染物都有强制性限制——包括《清洁空气法》和《清洁水法》——但目前减少氮排放的努力并没有包括全面减排的具体目标。

美国和欧洲然而，减少化石燃料燃烧产生的一氧化二氮排放的努力非常有效。这些措施包括要求技术减少工业烟囱排放和清洁引擎．它们还包括政府和公司关于减少温室气体排放的政策——有些是强制性的，有些是自愿的——这些政策也减少了有害的氮排放。随着人们越来越认识到农业对含氮空气污染物的贡献，政策也开始关注这些问题，但美国的具体措施因农场的规模和位置而有所不同。

荷兰和丹麦的政策有效地推动农民采取措施，通过控制农业废弃物和施肥技术，减少粪便排放在荷兰成功地减少了70%的氨排放，在丹麦成功地减少了40%，帮助显著减少了整体活性氮排放。虽然在美国没有类似的项目，但美国农业部和环境保护局以及包括加州在内的一些州都有帮助各州和农民减少氮排放和径流的项目。但现在，这些努力还没有采取一种可能被描述为在整个农业和食品生产过程中释放氮的整体方法。

埃里斯曼说:“丹麦和荷兰在采取氮肥措施方面走在了其他国家的前面。”但德国、奥地利、法国和意大利开始效仿这一做法。不过，他说，公众对这个问题的认识仍然很低。

利奇说:“我们需要两方面的解决方案”——在农场规模上，也在消费者方面。加洛韦说:“与所有利益相关者进行对话非常重要，不仅是生产商，还有消费者。”但无论如何，这个问题“是由人类、食物的增长和垃圾的处理造成的，”费舍尔说。提高人们对这个问题的认识是控制氮足迹的重要一步。也许，下次当你考虑素食汉堡和牛肉汉堡的比较时，可以考虑一下。