氮的问题

氮循环与氮污染

英国大科学家牛顿晚年潜心研究炼金术，这件事一直被当做牛顿的一个历史污点。其实在牛顿的时代，人们还没有意识到世间万物都是由原子组成的，除非发生核聚变或者核裂变，否则无法相互转换。比如，占地球大气78%的氮气就没办法被炼金炉转化成氧气或者氢气。

事实上，氮气（N2）的化学结构极为稳定，甚至很难参与到一般的化学反应中，科学家称其为惰性气体。正因为如此，地球上绝大部分氮元素都是以氮气的形式存在于空气中，只有在打雷的时候，雷电产生的强大能量才能将氮气分解，并和氧元素结合形成二氧化氮，溶在雨水中降至地面。

当生命出现后，氮元素的命运发生了翻天覆地的变化。蛋白质和核酸中都含有大量氮原子，氮和氢、氧、碳一起被称为生命的四大基本元素。但由于氮气的惰性，氮元素成为生物界最紧缺的商品，极大地制约了生命在地球上的扩张。于是，有些细菌进化出了固氮酶，能将氮气转化成氨气（NH3），再进一步合成出蛋白质和核酸等有机物质。这些有机物质在土壤中被另外一些细菌分解为铵离子（NH4+），再通过硝化作用进一步生成亚硝酸根（NO2-）和硝酸根（NO3-），从而被植物的根系吸收，变成植物蛋白和核糖核酸。光合作用所需的叶绿素中也含有大量的氮原子。所有这些化学分子中的氮元素都可被称之为活性氮，它们之间很容易发生相互转化。因此，当动物吃掉植物后，植物中的氮就转变为动物体内的氮，这些氮通过粪便或者动物死后以尸体腐烂的形式归还到土壤中。最后，某些细菌在无氧或低氧条件下可将土壤中的活性氮还原为氮气并释放回大气中，这就构成了一个完整的氮循环链条。

这根链条在1907年被打破了。这一年，德国化学家弗雷兹·哈伯（Fritz Haber）发明了一种廉价的氨气制备法，在高温高压和适当催化剂的条件下让氮气和氢气相结合，转变为氨气，从此开启了化学固氮的序幕。这一方法以消耗大量化石能源为代价，将惰性氮转变为活性氮，用于化肥和炸药的制造。这两个领域对活性氮的需求是如此旺盛，以至于在哈伯发明工业制氨法100年后，人类从大气中固定的氮就超过了自然界固氮的总量。

( 德国化学家弗雷兹·哈伯 )

“自从哈伯制氨法发明以来，基于活性氮的炸药已经导致全球1亿人死亡；但如果没有工业氮肥的话，全世界一半以上的人都得饿死。”欧盟氮污染评估报告的主要作者、爱丁堡生态学和水文学研究中心研究员马克·苏顿（Mark Sutton）博士在4月14日出版的《自然》（Nature）杂志上发表文章指出：“哈伯制氨法很可能是人类有史以来所做的最重要的一次地球工程实验，因为炸药使得化石能源的大规模开采成为可能，由此导致了气候变化。炸药和汽车工业排放的大量活性氮被排放到空气中，改变了地球气候，并产生了很多健康问题。欧洲农业施用化肥的一半被浪费了，多余的活性氮污染了水系，导致生物多样性的丧失。”

氮循环中的绝大多数中间产物并不能算是剧毒物质，但它们对生态环境和人类健康造成的影响却不容小视。欧盟氮污染评估报告指出，空气的活性氮能增加呼吸系统和心血管系统疾病的发病率，导致至少一半的欧洲人寿命减少6个月。氨气和氧化氮污染还会导致至少2/3的欧洲森林的生物多样性减少10%，这两类损失占到氮污染损失总数的75%。

( 德国化学家尤斯图斯·李必希 )

这份报告还指出，虽然汽车尾气和生活污水是环境活性氮的两种重要来源，但真正的大头来自农业，化肥才是欧洲氮污染最大的祸根。与欧洲相比，中国是个农业大国，农业造成的氮污染比重更大。中国环保部去年发布的《第一次全国面源污染普查公报》指出，农业源排放的总氮占水系氮污染总量的57%，长江、黄河和珠江每年输出的溶解态无机氮达到97.5万吨，其中90%来自农业，而氮肥占了农业源的50%。自然水系中的过量活性氮使得水藻等简单生命大量繁殖，造成水体缺氧，直接导致鱼类大量死亡。近年来，中国的江河湖泊每年夏天都会曝出几起绿藻事件，这已经成了中国环境污染报道的热点。

去年，由中国人民大学农业与农村发展学院院长温铁军执笔的《氮肥的真实成本》出版，该报告称，中国每年因不合理施肥造成1000多万吨的氮素流失到农田之外，直接经济损失约300亿元。

( 粮食产量之所以持续不断地增长，最大的功臣不是品种改良，也不是水利设施的建设，而是氮肥的合理使用 )

问题的焦点，集中到了化肥上。

化肥的功与过

( 1935年，英国赫里福德的农民们在田地中撒化肥 )

100多年前，有位名叫富兰克林·金（Franklin King）的美国农业土壤局局长访问了中国、日本和朝鲜，并于1911年出版了一本名叫《四千年来的农夫》（Farmers of Forty Centuries）的书。书中以自问自答的方式提出了一个新颖的观点：为什么中国的农夫耕种了4000年的田地，其土壤还是照样肥沃？答案是以粪为肥。中国农夫是全世界最早知道粪肥用处的人，这个知识让中国在并不富饶的土地上养活了如此多的人口。同一时间的欧洲农民只懂得依靠休耕来恢复地力，这使得欧洲的土地复种指数远比中国要低，粮食总产量一直上不去。

但是，中国人一直没能明白粪肥为什么那么重要，这个秘密直到1840年才被一位名叫尤斯图斯·李必希（Justus Liebig）的德国化学家弄清楚了。他在这一年出版了《有机化学在农业和生理学中的应用》一书，第一次把植物的“菜谱”写了出来，这就是连小学生都耳熟能详的“氮磷钾理论”。李必希的研究目的在于解决当时欧洲经常爆发的饥荒问题，他提出化学品完全可以代替农家肥，成为植物生长所需要的养分。因为欧洲的土地缺磷，李必希尝试用过磷酸钙当做磷肥，收到了明显的效果。这是人类使用的第一种化肥，李必希也因此被称为“化肥之父”。

中国的土壤则普遍缺氮。根据《氮肥的真实成本》一文统计，1960年中国的氮肥施用量仅在50万吨左右，到2005年时，这个数字达到了将近3000万吨，约为1960年的55倍。

“我国‘文革’前使用的氮肥是碳铵，俗称‘气儿肥’。这种氮肥挥发性强，闻起来呛鼻子，很不容易保存。”原中国农科院土壤与肥料研究所研究员刘立新对本刊记者说，“直到70年代从国外引进了19套用天然气制造尿素的设备，我国氮肥的面貌才发生了根本性改变。”

刘立新研究了一辈子化肥，对氮肥的吸收过程了如指掌：“农作物的根系很容易吸收铵态氮肥，如碳铵，因此‘气儿肥’（即碳酸氢铵）见效快，施进地里2～3天叶片就变绿。尿素施进土壤中需要2～3天才能转变成碳铵或者碳酸氢铵，因此尿素的作用稍微慢一点，一般4天后才能见效。但尿素装在袋子里的时候非常稳定，容易运输，很快就代替了气儿肥，成为中国氮肥的主流。”

《氮肥的真实成本》一文对中国的化肥产业总体状况，尤其是氮肥生产过程中的能源消耗情况进行了一番细致梳理。来自氮肥行业内部的研究结果表明，2006年中国氮肥行业年耗天然气、无烟煤和电分别占全国总量的18.7%、22.1%和2.28%。我国70%的氮肥生产以煤炭为主，年均消耗约1亿吨标准煤，而且正以每年接近1000万吨标准煤的速度增长。从这几个数字就可看出，氮肥工业是典型的高耗能工业，是我国节能减排的主要障碍。即使没有氮污染这回事，对氮肥的使用也应该加以限制。

但是，氮肥给中国农业带来的好处也是显而易见的。根据中国科学院南京土壤研究所朱兆良院士的研究，1949～1998年中国每年的粮食产量和氮肥年用量的线性相关系数达到0.977，也就是说，在这50年里几乎每公斤氮肥都能带来恒定数量的粮食增产。如果把粮食产量当做木桶，那么氮元素就是最短的那块木板。中国的粮食产量之所以持续不断地增长，最大的功臣不是品种改良，也不是水利设施的建设，而是氮肥的合理使用。

《氮肥的真实成本》一文最醒目的数字就是：中国用世界上7%的耕地养活了22%的人口，但是却用了世界上35%的化肥。

不过，氮肥对粮食增产的作用毕竟是有限度的。朱兆良院士在2006年发表的一篇论文指出，随着氮肥使用量增加，水稻产量渐增，但增势减缓，至最高产量后，继续增加氮肥施用量，则产量反而下降，而肥料成本却增加，农民的净收入减少。根据中华氮肥网提供的数据，中国氮肥生产在1997年开始盈余，而近10年氮肥产量更是以年均增长6.7%的速度发展，最终导致产能过剩。以氮肥中所占比例最大的尿素为例，2008年底，全国尿素年产能已达5900万吨，当年尿素年需求量为5000万吨左右，产能过剩900万吨左右。

多出来的氮肥都去了哪里呢？“国内粮食作物的碳铵平均利用率只有28%，用不掉的氮元素有三条出路，要么变成硝态氮渗入地下水，要么变成氨态氮进入空气，也有一小部分硝态氮经过反硝化作用变成氮气，重新释放到大气中。”刘立新对本刊记者解释，“‘土肥所’老一代科学家研究结果显示，施到土壤中的氮肥最多只有3个月左右的有效期，这就是为什么种地需要不断追氮肥的原因。”

施肥是一项技术含量很高的农活，不正确的施肥方式导致中国粮食作物的氮肥吸收率非常低，大量氮肥被浪费掉了。抽样调查显示，山东省小麦的氮肥利用率仅为10%左右，江苏省水稻的氮肥利用率也仅为20%左右。中国稻田单位面积氮肥用量是日本的两倍，但两者的水稻亩产量却大致相当。农科院土壤与肥料研究所的调查显示，全国已有17个省的氮肥平均施用量超过国际公认的上限——225公斤/公顷。在经济效益较高的蔬菜、果树和花卉生产中，氮肥的用量更高，为普通大田作物的数倍甚至数十倍。

接下来一个很自然的问题就是：一向善于精打细算的中国农民为什么要花这个冤枉钱？

氮肥的滥用

“氮肥的滥用主要责任不在政府没给政策，也不是因为中央领导没有重视，而是各种利益集团尾大不掉。”温铁军在接受本刊记者专访时指出，“中国在以往半个多世纪追求农业现代化的过程中，形成了多种利益集团，他们的势力非常强大，一般人很难撼动他们。”

温铁军认为，中国的化肥行业规模巨大，养活了很多人，如果农民不买化肥他们就要失业。正因为这个原因，化肥行业得到了各级政府的支持和财政补贴，享受着上游的原材料价格优惠、生产环节的税收优惠和环保投资优惠，以及下游的运输价格优惠和销售环节税费的优惠等等。“这些优惠加起来大约是每年180亿元，相当于平均每吨尿素补贴160元。去掉补贴就意味着很多企业要关门，这会造成一系列社会问题，所以国家也不敢轻易碰这块。”

原农科院土壤与肥料研究所（现改名为农业资源与农业区划研究所）副所长、研究员张维理博士不同意立即取消化肥补贴。她对本刊记者解释说：“对于现阶段的中国来说，最重要的问题不是氮污染，而是粮食安全。中国农业体量大，缓冲能力差，中国农民是弱势群体，可供他们使用的资源量非常小，让农民做出牺牲是很不公正的。所以我从来不在媒体文章中提‘氮污染’这三个字，我不认为这是适合中国国情的提法，容易造成误解。”

话虽这么说，张维理博士曾经认真研究过中国的氮污染问题，她在专业期刊《中国农业科学》上发表过一篇题为《中国农业面源污染形势估计及控制对策》的论文，认为那些操作简单、价格便宜的替代技术（比如农田最佳养分管理）是欧美发达国家控制农业面源污染的关键，相比之下，一些价格较贵的尖端性农业生产技术，包括缓控释肥料技术和微生物肥料技术等，至今没有成为农业面源污染控制的主流技术。

“其实国家早就意识到了这一点，几年前就决定在中国农村推广‘测土配方’技术，责成地方农技人员对土壤的性状进行测量，并依照测量结果，有针对性地向农民推荐适合本地土壤的施肥方案。”刘立新对本刊记者说，“这个方法理论上很成熟，西方国家做过很多年，效果非常好。”

据刘立新观察，很多农村的农技人员就是当地的化肥公司员工，他们在“测土”时走走形式，然后把自己公司经销的化肥成分作为“配方”推荐给农民，以达到多卖化肥的目的。温铁军同意这个观察：“中国农村很多卖农药的兼有农政身份，这就好比运动员和裁判员是同一个人，结果能好得了吗？国家应该出钱，让村社组织力量自己‘测土’，才能保证测量结果不被外部利益集团所左右。”

张维理博士曾经在德国留学10年，她向本刊记者介绍了欧盟的做法。“大部分欧盟国家并没有免费向农村提供农技服务，很多欧美国家的农技员也是跟着化肥经销商走的。但是人家的农民对种庄稼很上心，农技人员不敢瞎推荐，这就形成了一个健全的市场机制，不称职的化肥企业逐渐被淘汰了。记得我刚到德国的时候，德国有100多家化肥企业，现在只剩下不到10家。中国却反其道行之，注册化肥厂非常容易，门槛很低，再加上管理不善，竞争机制不健全，结果造成化肥企业数量大爆炸。目前国内至少有1000家大的化肥企业，还有十几万家地方性的复混肥厂，垄断了当地的化肥市场，国家很难对它们进行质量监管。”

但不管怎样，化肥的选择权和使用权依然掌握在农民手里。温铁军告诉本刊记者，中国目前的土地流转比例只有12%，这就意味着有将近八成的耕地依然是由小农户在经营，这就引出了一个新问题：中国的农民为什么对种地不再上心了呢？

“道理很简单，你去农村看一下就知道了。”温铁军情绪激动地对本刊记者说，“现在农村的壮劳力都出去打工了，留下老人孩子在种田，挣的钱也远不如打工多，所以老百姓当然都喜欢种‘省事田’。化肥撒下去就不管了，多省事啊。在中国种田已经变成了一种短期行为，可是，谁来对中国的未来负责呢？”

温铁军称自己是中国传统的乡村建设派。他认为，中国必须对农业现代化做出反思，停止以工业社会的方式改造传统农业。“我本人其实是中国农村产业化的开创者，当年中国第一个研究农村产业化的报告就是我执笔的。但我后来经过反思，发现自己错了。我现在相信，乡土社会是任何一个认同生态文明理念的民族都应该刻意去维护的。如果人类仍然沉迷于现代化，认同资本主义文明所创造的科学技术对传统农业进行改造的话，那么氮污染的问题从本源上无解。”

话虽这么说，但中国的政治经济体系很难改变，科学技术也并不是随随便便就能被抛弃的。那么，在不改变现有社会制度和农业体系的情况下，有没有办法解决氮污染的问题呢？答案取决于你问的是谁。

解决问题的几条路径

温铁军的学生程存旺和石嫣是《氮肥的真实成本》一文的作者，两人目前分别在苏州和北京开办了“小毛驴农场”，尝试以完全有机的方式经营农业。程存旺在接受本刊记者采访时表示，他所做的大田实验表明，刚开始采用有机方式种植的农作物产量也许会有下降，但只要坚持3年，等地力恢复后，产量就可以接近化肥种植的水平了。他还引用学者许世卫在2007年发表的《直面我国食物浪费严重现状》一文的观点，认为中国已经进入饱食时代，每年浪费的粮食以蛋白质计算可养活3亿人，在此背景下，不顾环境和食品安全强调粮食安全则不合时宜了。

无独有偶，欧盟的氮污染调查报告也指出，欧洲自产或者进口粮食中含有的有机氮有85%都是被牲畜吃掉的。氮的消费已经变成了一种奢侈品，而不是生存必需品。换句话说，氮消费直接和肉类消费挂钩，成为衡量一个人生活水平的重要指标。

问题在于，刚刚富起来的人民怎能忍住不吃肉呢？

针对这一说法，张维理博士表达了不同的意见：“我在德国的时候经历了2009年那次经济危机，发现受打击最大的恰恰是德国的有机农业。现在的有机农业比较适合欧洲的奢华阶层，对于工薪阶层来说还很遥远，更别说中国了。对于普通中国人来说，最根本的需要还是生存需要。中国的粮食安全问题至今尚未完全解决，这才是中国政府需要面对的首要问题。”

张维理还认为，有机肥料如果施用不当，并不能减少氮污染，反而会带来其他环境问题。她说：“德国的有机农业要求所施用的动物粪便全部来自有机牧场，这在中国根本做不到。中国使用较多的是猪粪，重金属严重超标；另一种使用较多的是鸡粪，但鸡粪中含有的过量抗生素问题很难解决。”

刘立新研究员则从根本上质疑有机农业的有效性：“有机肥料中的氮元素含量在1%～3%，比起尿素的46%来说太少了。如果有机肥这么好用，老祖宗就不会挨饿了。”他对本刊记者说，“如果严格按照农业部关于绿色食品的行业标准来种植，有机食品的产量通常只能达到化肥种植的1/10，当然价格就会贵10倍。目前中国大部分老百姓还买不起绿色食品或有机食品，买到的也可能是假的。”

刘立新告诉本刊记者，他经常去北京附近的有机种植农田考察，看见了太多的弄虚造假行为。“很多大棚里的有机黄瓜都有金边叶，我一看就知道是偷偷地加了尿素的。”刘立新说，“黄瓜叶片的金边叶现象是一种典型的氮过量症状，说明技术员偷偷地施用尿素了，没有补充其他元素，造成营养不均衡。另外，尿素分解后产生的氧化亚氮聚集在大棚里，也会加重这一现象。”

刘立新提出的解决办法是，培养土壤的有机无机胶体复合体，增加土壤中的团粒结构。具有这种结构的土壤可以更好地吸附营养元素，增加植物的吸收能力，减缓土壤营养元素的流失。“但是这个方法需要年年不断地坚持做下去，很多年后才能见效。”刘立新补充说。

那么，有没有其他办法增加农作物吸收氮肥的效率呢？国际种业巨头孟山都公司认为，可以通过转基因的方式解决这一问题。该公司正在研制一种转基因玉米，可以更高效地利用氮肥，让玉米在正常氮含量的条件下增产，在较低氮含量的条件下稳产。孟山都中国区科学事务部总监王春玲博士告诉本刊记者，这一产品目前正处于测试阶段，科学家正在通过实验找出哪些基因可以进入下一步的田间试验。

但是，这一方法即使最终被证明是可行的，也需要漫长的时间才能商业化。中国急需一副立竿见影的药方，而且还必须非常便宜，不能给农民增加负担。北京六合神州生物工程有限公司的朱安妮认为这是有可能做到的，答案就是非豆科植物生物固氮技术。“我从1984年就开始做，目前在技术上已经取得了重大突破。”朱安妮对本刊记者说，“我们公司生产的生物氮肥每公斤可以替代5～10公斤尿素，具有替代水平高、见效快、广谱性好等特点。”

众所周知，固氮菌可以和豆科植物共生，在其根部形成根瘤，利用植物提供的能量，将空气中的氮气转变成活性氮，提供给植物使用。世界各国的农民在长期实践中早已发现了这一秘密，纷纷不约而同地采用轮种或者间种豆科作物的方式增加地力。但这样做的效果毕竟很有限，于是科学家们便开始研究固氮菌共生的秘密，希望有朝一日能让它和其他类型的植物共生。如果真的能实现这一目标，氮污染就不再是个大问题了。

在这一领域，中国曾经出过一位红人，名叫王曼新。他在上世纪80年代初，便宣称自己攻克了非豆科生物固氮的难题，此消息甚至还上了当时的《人民日报》。但刘立新告诉本刊记者，农科院的科学家想办法拿到了王曼新的菌种，经过科学方法测量后，发现其菌种的生物活性不到豆科固氮菌的1%，“谁也不知道它是怎么固氮的！”

王曼新声称自己受到中国科学界打压，移民加拿大。王曼新的助手、一位自学成才的民间科学家郭永军，则留在国内继续研究非豆科固氮。2004年郭永军突发脑溢血去世，他的妻子朱安妮接替了丈夫的工作。朱安妮是学经济的，原先在出版行业工作，属于自学成才的生物学家。她向本刊记者介绍说，她研制的这种生物氮肥是以豆科根瘤菌为主，结合固氮菌和弗兰克氏放线菌等的组合菌种，可以在常温常压条件下经过工厂化生产出来，经试验能为包括豆科作物在内的农作物提供生长期所需的氮素营养。

刘立新告诉本刊记者，郭永军和朱安妮研制的这种生物肥料和王曼新的很不相同，其关键是加入了好几种不同的辅助细菌，帮助固氮菌完成固氮的工作。“我试过这种肥料，发现它确实能固氮，不过这个结论尚需通过同位素标记实验加以验证。”刘立新说，“朱安妮面临的最大问题是，很多专家不相信她，不屑于与她合作。”

张维理没有听说过这件事，但她却不认为这是一个科学的方法：“道理很简单，如果有人真的解决了非豆科固氮这个世纪难题，那他应该去申请诺贝尔奖！”

在张维理看来，解决氮污染问题并不一定需要借助高科技，关键在于怎样教育农民合理使用化肥。“化肥完全可以做到既提高产量又不污染环境。使用得当的话，也不一定会造成土壤板结，或者减少土壤中有机物的含量，农作物的根不都留在土壤里了吗？”

在张维理看来，中国政府在农村推行的测土配方措施比较适合大田作物，对蔬菜、花卉、水果这类经济作物不适用。经济作物的播种面积虽然只占全国总耕地面积的20%，但施用的化肥量却占到全中国化肥使用总量的一半以上。中国农民只对肥料有概念，认得化肥牌子，却不懂氮磷钾的搭配。再加上每位农民都有自己的施肥习惯，很难改变。比如有的人外出打工，每年只回家施一次肥；有的人家里正好养鸡，就狂施鸡粪；有的村子里正好有人卖某种牌子的复混肥，整村人便一直用，不管这么做是否适合自己家的土壤。根据这一特点，张维理提出了一个全新的概念，叫做“矫正施肥”。

“我在农村住过10多年，深知改变中国农民的施肥习惯是不现实的，只能根据每个人的现有习惯和土壤条件，量身定做一套矫正方案推荐给他。”张维理对本刊记者说，“这个办法从根本上改变了过去测土施肥的思路。旧的思路是想办法找出最佳施肥方案，我则是想办法找出其中最弱的环节，再想办法弥补它。”

张维理目前正在做矫正施肥的模型研究，希望将这一方法写成论文，在全中国推广开来。“我觉得任何一种解决方法都不能离开中国的国情，只有根据中国的实际情况，找出最适合中国国情的做法，才能解决中国的氮污染问题。”

尾声

不管怎样，氮污染问题确实是悬在人类头上的一把利剑，随时都有可能掉下来。就在去年，瑞典斯德哥尔摩环境学院院长约翰·洛克斯托姆（Johan Rockstrom）在咨询了全世界环境科学领域的28位最具影响力的专家学者之后，对地球的9个生命支持系统进行了评估，提出了“界线”这个概念。也就是说，如果超过了界线，人类就必须小心，不能再听之任之了。

氮元素就是这9个生命支持系统之一。洛克斯托姆博士的研究显示，地球每年从空气中固定的氮不应超过3500万吨，否则就会出问题。而目前的水平是1.21亿吨，远超临界值。■

（文 / 袁越） 问题