专栏 | 绿色情报员:压垮地球的稻草 全球首揭农地“减肥”秘密

2021-05-13
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专栏 | 绿色情报员:压垮地球的稻草 全球首揭农地“减肥”秘密 农民过度施肥,大量氮肥残留土壤,衍生环境污染问题。
(路透社)

农村有句俗话“庄稼一枝花,全靠肥当家”,氮肥是农业生产上使用量最大的肥料,提高了农作物产量,却也“种出”环境生态污染。

“这就是氮肥的美丽与哀愁。”台湾中央研究院分子生物研究所特聘研究员蔡宜芳缓缓打开话匣子,“有人说,花一块钱买肥料,要花四块钱处理环境问题。”氮肥考验地球承受力,有如稻草般举足轻重。

台湾植物学家入主美国科学院

蔡宜芳是享誉国际的植物学家,甫获选为美国国家科学院院士。(台湾中研究提供)
蔡宜芳是享誉国际的植物学家,甫获选为美国国家科学院院士。(台湾中研究提供)

蔡宜芳是全球第一位科学家找到植物吸收氮肥的关键基因,俐落的短发、小麦色肌肤,大不同于关在实验室的研究员,她埋头耕耘植物研究近30个年头,足迹深入田野。美国国家科学院(National Academy of Sciences)4月26日公布最新入选的院士名单,外籍院士只有两位亚洲科学家,蔡宜芳是其中之一,她也是台湾首位本土女科学家获选为美国科学院院士。

美国科学院的院士提名和评选采机密制,被提名的科学家并不知情,名单揭晓时正好是台湾的半夜,蔡宜芳隔天打开电脑收信,被告知参加一个欢迎新院士的线上会议,“我是要去庆祝别人当选,还是我被选上?”她脑海冒出疑问,后来再打开当选名单的信件,“我像是看大学榜单一样,找到自己的名字。”她仍然不可置信走出去跟实验室同学说,“我好像获选为美国科学院院士了。”

当年蔡宜芳从美国学成归国,对自己许下承诺“要立足台湾、扬名国际”,她自豪大部分的研究都在台湾完成,发现植物的第一个硝酸盐转运蛋白、植物感应养分多寡的全新机制,改写教科书硝酸盐输送的理论,更将基础科学研究推向实务应用,改进农作物的氮利用效率,并减缓氮肥对环境的危害。

过度施肥掐死地球命脉

氮肥污染导致中国沿海严重优养化,油绿海藻覆盖海面,农地减肥声浪也不断浮现。(法新社)
氮肥污染导致中国沿海严重优养化,油绿海藻覆盖海面,农地减肥声浪也不断浮现。(法新社)

“氮肥问世是绿色革命重要的一环,有了氮肥,农作物增加,而就在绿色革命之后,全球人口也急速增加,充足的食物养活了人类。”蔡宜芳谈起美丽的开端,不过,哀愁紧跟着浮现台面,“氮肥施下后,农作物真正吸收的可能不到一半,甚至三分之一,多余的氮肥在土壤里又留不住,因为氮肥很快会转化成硝酸盐,硝酸盐是负电,土壤粒子也是负电,负负相斥,随着下雨冲刷流入河流,最后进入海洋。”

氮肥污染来势汹汹,蔡宜芳指出,氮肥会造成沿海水域优养化,也就是养分增加、藻类增生,一旦藻类增生,接下来那个区域会逐渐缺氧,鱼虾等海洋生物难以生存,形成“死亡域”(dead zone)。

全球农业每年大约消耗超过1亿吨氮肥,估计只有5000万吨被植物吸收,而1950年以来,全球沿近海的死亡域面积大幅增加了10倍。“这跟氮肥污染息息相关。”蔡宜芳说明,“1950年之后大量使用氮肥,死亡域问题也来愈严重,最早出现在美国西雅图沿岸,不过,随着当地减少氮肥使用,现在死亡域已经消失,目前肥料过量使用最严重的是亚洲。”

中国是全球最大的氮肥消耗国,根据中国国家统计局资料,2010年至2019年,每年平均农业氮肥施用量约为2,280万吨。蔡宜芳分析,中国单位面积的氮肥使用量是美国、日本的3倍,可是产量顶多是一样,甚至只有70%,这意味着氮肥是多施的、浪费了,产量没有增加,反而造成环境问题。

“梦幻的蓝眼泪景象,就是优养化的结果。”蔡宜芳以近年被炒红的旅游奇景为例,从中国福建的平潭海域,到台湾马祖沿海,都出现被称为“蓝眼泪”的涡鞭毛藻大量增生的现象。近年来,中国沿海每年都有藻华大面积爆发,黄海还曾经铺满近3万平方公里的海藻,死亡域危机浮出水面,这些跟氮肥都脱不了关系。

令人哀愁的不只是水域优养化,氮肥也是全球暖化的凶手。蔡宜芳解释,留在土壤的硝酸盐、氮肥,会转换为氧化亚氮(N2O),它是一种温室气体,比二氧化碳(CO2)的效应强300倍。美国国家海洋暨大气管理局(NOAA)的科学家曾在国际期刊《科学》(Science)发表研究报告指出,氧化亚氮已成为新的主要破坏臭氧层物质,而农业是氧化亚氮的重要排放源之一。

二十世纪初,德国科学家哈伯(Fritz Haber)和工程学家博施(Carl Bosch)发明了合成氮肥,以高温高压方式混合氮气和氢气,这就是知名的“哈伯法”(the Haber-Bosch process)。“空气中的氮气键结相当强,这是仿炸弹原理去制造氮肥,消耗的能量相当大。”蔡宜芳进一步说明,“全球能源有2%花在制造氮肥上面。”

破解植物吸收氮肥机制

中国是全球最大的氮肥消耗国,单位面积的氮肥使用量是美国、日本的3倍。(翻摄自Our World in Data)
中国是全球最大的氮肥消耗国,单位面积的氮肥使用量是美国、日本的3倍。(翻摄自Our World in Data)

农民长期施用过量的氮肥,追求高产量,却忽略多施无益和环境成本。蔡宜芳不断钻研植物如何把氮肥从土壤中吸进来,以阿拉伯芥为研究对象,找到植物细胞膜上的硝酸盐转运蛋白CHL1,接二连三破解谜样的分子生物机制,也为农地减肥降污提出重磅的科学基础。

“这些转运蛋白负责把硝酸盐从细胞外部送到内部,也负责侦测土壤里面硝酸盐的多寡,它很聪明会算术,依据硝酸盐浓度高低、做出不同反应,所以植物很精密在调控要吸收多少、要代谢多少。”蔡宜芳说明植物体的运送和传导机制,“它是守门员,同时是搬运工,它也是传令中心。”

“很明显的,它是会饱和的,过度施肥是没有用的,因为植物会把嘴巴关起来,不吃东西了。”蔡宜芳以科普语言归纳研究发现,“我们还找到一个全新的机制,了解植物如何知道养分的多寡,其他的养分的感应也可以透过这个模式,来看看有没有相同的机制。”

农地减肥的大国难题

滥用肥料对大地造成杀伤力,农业政策扮演重要角色。(路透社)
滥用肥料对大地造成杀伤力,农业政策扮演重要角色。(路透社)

放眼全球,中国农作物的氮利用效率始终敬陪末座,根据美国马里兰大学助理教授张鑫的研究发现,中国的氮利用率仅有25%,远低于全球平均值42%,而全球氮利用率要从42%提升至70%,中国要回到1960年代初60%的水平,才能确保地球的承受力处于安全范围。

反讽的是,当陆地粮食产能建构在大量化肥的基础上,海洋粮仓的产量反而不断下降。蔡宜芳认为,氮利用效率低不仅是浪费金钱,同时加剧环境风险,这边施、那边流,最终流入大海,等于是为大海施肥,鱼虾生存栖地被破坏,台湾附近海域渔获量愈来愈少,也可能跟氮肥有关连性。

到底氮肥如何在农业和环境取得平衡点?蔡宜芳建议,合理化施肥,少量多餐是最好的作法,很多作物过度施肥还会抑制生长,每个植物有不同的特质,环境、天气等因子也会影响氮利用率,所以要视不同条件来施肥、面面具到才行。

此外,农地减肥的关键也牵涉政策导向,中国对肥料的补贴常为人诟病。蔡宜芳表示,如果肥料价格订得高,没人有愿意过量施肥,可是有些农业政策反而是压低氮肥价格,这就是一个不理想的政策了。

为农业和环境找出双赢解方,国际学者也陆续应用蔡宜芳的研究发现,探究不同作物的硝酸盐转运蛋白和基因组。中国科学院研究员储成才就发现,籼稻的氮利用效率比稉稻好,比较能在贫脊的土壤中生长,后来找出籼稻和稉稻的硝酸盐转运蛋白有一个胺基酸的序列不同,造成两者的氮利用效率有很大的差异。

科学家同步致力提高植物的氮吸收率,蔡宜芳研究团队也投入相关实验,她指出,“植物会把老叶储存的硝酸盐送到年轻的叶片,维持年轻叶片的生长,我们尝试透过遗传工程改造的方式,来强化这种重新分配的机制,增加植物的氮利用效率,实验证明阿拉伯芥可以增加生产20%,水稻约为8、9%。”

“我当初走进植物学研究,这个很科学的决定是一个很浪漫的开头,因为我从小就很爱植物,家人觉得我是怪胎,眼睛里只有植物。”蔡宜芳轻松聊起植物给她的启示,“面对困难,动物第一个想法是逃离困难,跑得快就活下来,可是植物跑不了,任何难题都要面对它、解决它,我就是在探知植物的秘密,知道它到底用什么策略来对抗各种逆境。”

当前滥用肥料引爆环境污染危机,人类或许该向植物学习,勇敢面对问题,扭转地球困境。

撰稿:麦小田 责编:许书婷

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