專欄 | 綠色情報員:壓垮地球的稻草 全球首揭農地“減肥”祕密

2021-05-13
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專欄 | 綠色情報員:壓垮地球的稻草 全球首揭農地“減肥”祕密 農民過度施肥,大量氮肥殘留土壤,衍生環境污染問題。
(路透社)

農村有句俗話“莊稼一枝花,全靠肥當家”,氮肥是農業生產上使用量最大的肥料,提高了農作物產量,卻也“種出”環境生態污染。

“這就是氮肥的美麗與哀愁。”臺灣中央研究院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳緩緩打開話匣子,“有人說,花一塊錢買肥料,要花四塊錢處理環境問題。”氮肥考驗地球承受力,有如稻草般舉足輕重。

臺灣植物學家入主美國科學院

蔡宜芳是享譽國際的植物學家,甫獲選爲美國國家科學院院士。(臺灣中研究提供)
蔡宜芳是享譽國際的植物學家,甫獲選爲美國國家科學院院士。(臺灣中研究提供)

蔡宜芳是全球第一位科學家找到植物吸收氮肥的關鍵基因,俐落的短髮、小麥色肌膚,大不同於關在實驗室的研究員,她埋頭耕耘植物研究近30個年頭,足跡深入田野。美國國家科學院(National Academy of Sciences)4月26日公佈最新入選的院士名單,外籍院士只有兩位亞洲科學家,蔡宜芳是其中之一,她也是臺灣首位本土女科學家獲選爲美國科學院院士。

美國科學院的院士提名和評選採機密制,被提名的科學家並不知情,名單揭曉時正好是臺灣的半夜,蔡宜芳隔天打開電腦收信,被告知參加一個歡迎新院士的線上會議,“我是要去慶祝別人當選,還是我被選上?”她腦海冒出疑問,後來再打開當選名單的信件,“我像是看大學榜單一樣,找到自己的名字。”她仍然不可置信走出去跟實驗室同學說,“我好像獲選爲美國科學院院士了。”

當年蔡宜芳從美國學成歸國,對自己許下承諾“要立足臺灣、揚名國際”,她自豪大部分的研究都在臺灣完成,發現植物的第一個硝酸鹽轉運蛋白、植物感應養分多寡的全新機制,改寫教科書硝酸鹽輸送的理論,更將基礎科學研究推向實務應用,改進農作物的氮利用效率,並減緩氮肥對環境的危害。

過度施肥掐死地球命脈

氮肥污染導致中國沿海嚴重優養化,油綠海藻覆蓋海面,農地減肥聲浪也不斷浮現。(法新社)
氮肥污染導致中國沿海嚴重優養化,油綠海藻覆蓋海面,農地減肥聲浪也不斷浮現。(法新社)

“氮肥問世是綠色革命重要的一環,有了氮肥,農作物增加,而就在綠色革命之後,全球人口也急速增加,充足的食物養活了人類。”蔡宜芳談起美麗的開端,不過,哀愁緊跟着浮現檯面,“氮肥施下後,農作物真正吸收的可能不到一半,甚至三分之一,多餘的氮肥在土壤裏又留不住,因爲氮肥很快會轉化成硝酸鹽,硝酸鹽是負電,土壤粒子也是負電,負負相斥,隨着下雨沖刷流入河流,最後進入海洋。”

氮肥污染來勢洶洶,蔡宜芳指出,氮肥會造成沿海水域優養化,也就是養分增加、藻類增生,一旦藻類增生,接下來那個區域會逐漸缺氧,魚蝦等海洋生物難以生存,形成“死亡域”(dead zone)。

全球農業每年大約消耗超過1億噸氮肥,估計只有5000萬噸被植物吸收,而1950年以來,全球沿近海的死亡域面積大幅增加了10倍。“這跟氮肥污染息息相關。”蔡宜芳說明,“1950年之後大量使用氮肥,死亡域問題也來愈嚴重,最早出現在美國西雅圖沿岸,不過,隨着當地減少氮肥使用,現在死亡域已經消失,目前肥料過量使用最嚴重的是亞洲。”

中國是全球最大的氮肥消耗國,根據中國國家統計局資料,2010年至2019年,每年平均農業氮肥施用量約爲2,280萬噸。蔡宜芳分析,中國單位面積的氮肥使用量是美國、日本的3倍,可是產量頂多是一樣,甚至只有70%,這意味着氮肥是多施的、浪費了,產量沒有增加,反而造成環境問題。

“夢幻的藍眼淚景象,就是優養化的結果。”蔡宜芳以近年被炒紅的旅遊奇景爲例,從中國福建的平潭海域,到臺灣馬祖沿海,都出現被稱爲“藍眼淚”的渦鞭毛藻大量增生的現象。近年來,中國沿海每年都有藻華大面積爆發,黃海還曾經鋪滿近3萬平方公里的海藻,死亡域危機浮出水面,這些跟氮肥都脫不了關係。

令人哀愁的不只是水域優養化,氮肥也是全球暖化的兇手。蔡宜芳解釋,留在土壤的硝酸鹽、氮肥,會轉換爲氧化亞氮(N2O),它是一種溫室氣體,比二氧化碳(CO2)的效應強300倍。美國國家海洋暨大氣管理局(NOAA)的科學家曾在國際期刊《科學》(Science)發表研究報告指出,氧化亞氮已成爲新的主要破壞臭氧層物質,而農業是氧化亞氮的重要排放源之一。

二十世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)和工程學家博施(Carl Bosch)發明了合成氮肥,以高溫高壓方式混合氮氣和氫氣,這就是知名的“哈伯法”(the Haber-Bosch process)。“空氣中的氮氣鍵結相當強,這是仿炸彈原理去製造氮肥,消耗的能量相當大。”蔡宜芳進一步說明,“全球能源有2%花在製造氮肥上面。”

破解植物吸收氮肥機制

中國是全球最大的氮肥消耗國,單位面積的氮肥使用量是美國、日本的3倍。(翻攝自Our World in Data)
中國是全球最大的氮肥消耗國,單位面積的氮肥使用量是美國、日本的3倍。(翻攝自Our World in Data)

農民長期施用過量的氮肥,追求高產量,卻忽略多施無益和環境成本。蔡宜芳不斷鑽研植物如何把氮肥從土壤中吸進來,以阿拉伯芥爲研究對象,找到植物細胞膜上的硝酸鹽轉運蛋白CHL1,接二連三破解謎樣的分子生物機制,也爲農地減肥降污提出重磅的科學基礎。

“這些轉運蛋白負責把硝酸鹽從細胞外部送到內部,也負責偵測土壤裏面硝酸鹽的多寡,它很聰明會算術,依據硝酸鹽濃度高低、做出不同反應,所以植物很精密在調控要吸收多少、要代謝多少。”蔡宜芳說明植物體的運送和傳導機制,“它是守門員,同時是搬運工,它也是傳令中心。”

“很明顯的,它是會飽和的,過度施肥是沒有用的,因爲植物會把嘴巴關起來,不喫東西了。”蔡宜芳以科普語言歸納研究發現,“我們還找到一個全新的機制,瞭解植物如何知道養分的多寡,其他的養分的感應也可以透過這個模式,來看看有沒有相同的機制。”

農地減肥的大國難題

濫用肥料對大地造成殺傷力,農業政策扮演重要角色。(路透社)
濫用肥料對大地造成殺傷力,農業政策扮演重要角色。(路透社)

放眼全球,中國農作物的氮利用效率始終敬陪末座,根據美國馬里蘭大學助理教授張鑫的研究發現,中國的氮利用率僅有25%,遠低於全球平均值42%,而全球氮利用率要從42%提升至70%,中國要回到1960年代初60%的水平,才能確保地球的承受力處於安全範圍。

反諷的是,當陸地糧食產能建構在大量化肥的基礎上,海洋糧倉的產量反而不斷下降。蔡宜芳認爲,氮利用效率低不僅是浪費金錢,同時加劇環境風險,這邊施、那邊流,最終流入大海,等於是爲大海施肥,魚蝦生存棲地被破壞,臺灣附近海域漁獲量愈來愈少,也可能跟氮肥有關連性。

到底氮肥如何在農業和環境取得平衡點?蔡宜芳建議,合理化施肥,少量多餐是最好的作法,很多作物過度施肥還會抑制生長,每個植物有不同的特質,環境、天氣等因子也會影響氮利用率,所以要視不同條件來施肥、面面具到纔行。

此外,農地減肥的關鍵也牽涉政策導向,中國對肥料的補貼常爲人詬病。蔡宜芳表示,如果肥料價格訂得高,沒人有願意過量施肥,可是有些農業政策反而是壓低氮肥價格,這就是一個不理想的政策了。

爲農業和環境找出雙贏解方,國際學者也陸續應用蔡宜芳的研究發現,探究不同作物的硝酸鹽轉運蛋白和基因組。中國科學院研究員儲成才就發現,秈稻的氮利用效率比稉稻好,比較能在貧脊的土壤中生長,後來找出秈稻和稉稻的硝酸鹽轉運蛋白有一個胺基酸的序列不同,造成兩者的氮利用效率有很大的差異。

科學家同步致力提高植物的氮吸收率,蔡宜芳研究團隊也投入相關實驗,她指出,“植物會把老葉儲存的硝酸鹽送到年輕的葉片,維持年輕葉片的生長,我們嘗試透過遺傳工程改造的方式,來強化這種重新分配的機制,增加植物的氮利用效率,實驗證明阿拉伯芥可以增加生產20%,水稻約爲8、9%。”

“我當初走進植物學研究,這個很科學的決定是一個很浪漫的開頭,因爲我從小就很愛植物,家人覺得我是怪胎,眼睛裏只有植物。”蔡宜芳輕鬆聊起植物給她的啓示,“面對困難,動物第一個想法是逃離困難,跑得快就活下來,可是植物跑不了,任何難題都要面對它、解決它,我就是在探知植物的祕密,知道它到底用什麼策略來對抗各種逆境。”

當前濫用肥料引爆環境污染危機,人類或許該向植物學習,勇敢面對問題,扭轉地球困境。

撰稿:麥小田 責編:許書婷

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