维持生命的养分变成了致命的污染物

本文最初由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、臭氧空洞扩大和生物多样性丧失。看似各种各样的问题，却有一条共同的主线将它们联系在一起: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，人们释放了太多的这种类型的氮被称为活性氮，科学家说我们已经做到了通过了限制地球能安全处理的

在农田里发生的事情会以藻类的形式出现在许多英里外的下游和近海。

通过过度和低效的化肥使用、与农业有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，其结果是有害的环境影响。这些影响正在全球范围内发生，并因气温升高而加剧。虽然氮的问题受到的压力小得多，但我们打乱了氮的自然平衡，甚至超过了碳的平衡。

虽然许多事情有助于问题 - 包括能源利用，城市径流和污水 - 农业是破坏环境的氮的最大来源。根据科学家研究这个问题，目前在农业中使用的氮的80％（主要是合成的和其它肥料，如粪肥）是在食品供应链的某一点损失到环境中。这些损失发生在农场和食品生产，销售，分销，准备和消费。或者，如环境科学吉姆·加洛韦把它的弗吉尼亚大学教授，发生损失“沿着所有来自外地和裸土到污水处理厂的方式。”

阿姆斯特丹大学的综合氮研究教授和the的首席执行官Jan Willem Erisman认为，这是问题的主要部分路易Bolk研究所在荷兰，“人们不会把它和食物和食物生产联系起来。”

事实上，在美国，欧洲Union, Japan and likely China and elsewhere, food accounts for more than 75 percent of the average person’s nitrogen footprint (individual contribution to nitrogen pollution), according to University of New Hampshire natural resources and environmental studies Ph.D. candidate Allison Leach, who is among the scientists working on the氮足迹这个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——是造成对环境有害的过量氮的罪魁祸首之一。

农田里发生的事情会在下游几英里的地方以藻类的形式出现。这样的氮污染负责有害藻类困扰着切萨皮克湾中，五大湖和墨西哥湾;为去年的饮用水危机托莱多;和“蓝婴综合症”,这是一种可能致命的缺氧障碍，对世界各地的婴儿造成伤害——还有其他影响。

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“遥远地方的中断”的形式出现。例如，在农田里发生的事情可能会以藻类的形式出现在许多英里外的下游和近海，或者出现在地下水该公司为居民提供井水，而与污染源没有直接联系。将水污染或空气污染与食物选择联系在一起就更言过其实了。

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,在环境中氮是如何工作的。

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。要让植物和其他生物利用这些氮，氮必须转化成所谓的“固定”或活性的形式。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系中的微生物，将惰性氮转化为氨，这是一种可用于植物生长的活性形式，也是植物生长所必需的。

虽然植物需要这种活性氮来茁壮成长，但如果过量进入环境，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)-也可成为严重的空气和水污染物，并迅速引发呼吸系统、心血管和其他疾病。理解这个问题的关键——以及它的解决方案——是过载不是自己发生的。

如果没有人类的某种干预，世界自然产生的植物生长所必需的活性氮的供应是相对有限的。因此，到了20世纪初，情况变得很明显，没有足够的这种形式的氮来生产足够的粮食来养活不断增长的人口。

这个问题被解决了这项发明以植物可以使用的“固定”形式提供氮的合成肥料。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、利奇和同事们的研究，到2010年，人类活动产生的活性氮至少是自然系统产生的5倍。

这些版本中，科学家们发现，可以持续几十年。Not only is the nitrous oxide that comes off fertilized fields a potent greenhouse gas, but a new study of fertilizer use in the U.S. Midwest shows that excess nitrogen can accumulate in soil and result in decades-long pollution of surface and groundwater — including drinking water wells — with unsafe levels of nitrates that can lead, for example, to blue-baby syndrome.

滑铁卢大学地球与环境科学、土木与环境工程教授、该研究的合著者南迪塔•巴苏写道，即使现在停止使用化肥，氮污染也会持续多年。

同时，随着农业生产力在20世纪初大幅上涨，化石燃料越来越大的数量已被烧毁，但释放更多的活性氮进入大气。城市化和不断增长的人口也纷纷加入到这一负担，但这个活性氮的四分之三来自农业。而鉴于对肉类和奶制品中，我们现在种植的大量需求不断增加 - 约世界三分之一的可耕地据联合国粮食和农业组织 - 作为牲畜饲料结束。

肉类的大氮足迹

“肉类和植物的选择非常重要，”埃里斯曼说。“植物的营养利用效率远高于肉类。”Plus, to produce meat you must first grow grain or other forage — whatever plant products the animals eat. As a result, many more times the amount of nitrogen is involved in producing meat than plant-based food. This means that stocking the fridge with meat plays a big role in contributing to the global reactive nitrogen burden.

“我们在种肉，”马里兰大学环境科学中心的汤姆·费舍尔教授说角点实验室。“Much of the agriculture on the Delmarva Peninsula, where I am, is growing grain for the poultry industry. … People have chosen to eat meat, and they’ve created a market for chickens, and the poultry industry created a market for grain."

在冰箱中储存肉类对增加全球活性氮的负担起了很大的作用。

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，但据Erisman和其他研究人员一般来说，生产2磅牛肉需要13磅活性氮，2磅猪肉需要7磅，2磅鸡肉需要5.5磅氮。埃里斯曼还指出，由于不平衡的食物选择，大约20%的世界人口消耗了大约80%的化肥。

马里兰大学环境科学中心阿巴拉契亚实验室的教授兼主任埃里克·戴维森说:“当涉及到食物的选择，动物食品的频率和份量以及动物产品的混合会对最终的氮足迹产生很大影响。”

一看在N打印项目氮足迹计算器说明了这一点。据其数字，对粮食的平均美国氮足迹 - 所有参与该食品的生命周期中氮的估计，通过生产消费 - 是61英镑每年。谁吃一个星期只有两个鸡蛋和限制乳制品素食 - 包括奶酪 - 每周不超过15单杯份量减少了负荷24磅。对于非素食主义者，如果肉类消费量限制为每天只吃家禽（没有牛肉或猪肉），每周四次（基于7盎司份），氮足迹将由约三分之一，即使没有其他变化减小“average" U.S. eating patterns (eating five eggs and 26 servings of dairy and cheese a week).

饲养牲畜和家禽有一个特别大的氮足迹，另一个负荷来自食品加工。埃里斯曼解释说:“在食品加工过程中有很多浪费食物的浪费意味着氮的损失因为食物没有被消耗掉。还有更多的氮最终会通过零售和消费者的食物浪费流失到环境中。考虑到对三分之一的食物被生产出来全球每年都有浪费或损失，这是很重要的，因为替换这种食物意味着使用和释放更多的活性氮。一个最近的估计由于全球消费者的食物浪费，每年向环境流失的氮量为290万吨。

因此，除了提高农业中氮素的使用效率，减少化石燃料的使用，减少城市径流，改变食物选择，显著减少食物浪费，都有助于减少全球活性氮的负担。

离开了农场

美国农业部自然资源保护署能源与环境市场负责人亚当·钱伯斯说:“氮污染的最大单一来源还是来自农田。”他解释说，当合成肥料或粪肥被施用于农业土壤但没有被植物完全吸收时，它会通过挥发或冲刷农田进入环境:当它蒸发时，这些氮通常以一氧化二氮的形式进入大气，这是一种强效的温室气体;当肥料的用量超过了植物的利用率时，多余的氮就会随着雨水和灌溉用水流失。

瓦莱丽·丹图因在东北威斯康辛技术学院教授可持续农业，她和丈夫里克·亚当斯基经营着一家有机乳牛场。她解释说，当耕地过多时，土壤中固氮的微生物就会被破坏。她说，“解决办法是覆盖农作物的多年生根和叶子”，同时增加土壤的有机质，这“促进了土壤中的微生物的生命”。This results in slow releases of nitrogen to plants, which is more effective and efficient than synthetic fertilizers that easily can be washed away.

氮高效利用 - 关键是什么有时也被称为“精准农业” - 减少一氧化二氮的排放量，钱伯斯说，也径流流和最终的地方，如切萨皮克湾，五大湖和墨西哥湾。施肥的定时也是关键减少径流。暴雨在其中发挥了很大的作用，钱伯斯解释。如果“下雨2英寸一个晚上，工厂还没有准备好拿起氮，你可以得到的排放量急剧飙升。”在一年甚至两个这样的事件可以有所作为，促使氮的大径流 - 其中一些也蒸发的，他说。

“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，那时庄稼不再使用氮。她说，要纠正这个问题，“我们所要做的就是纠正这17天。”This would mean applying fertilizer at the precise time plants can make the best use of it and — to avoid excess lingering in the soil to be washed off with those big rains — not applying any more than plants can use.

最大来源[氮污染]是从农田。

一些农民，比如丹图恩和费舍尔在马里兰州合作的农民，正在种植覆盖作物，并建立排水系统来吸收水分，而不是让水分从土地上流失。这是一项节水规模实验的一部分，目的是减少流向切萨皮克湾的养分。另一些人则使用旨在帮助植物更有效地吸收氮肥的产品。

这些包括产品该公司的农学主任格雷格·施瓦布(Greg Schwab)解释说，它与肥料一起起作用，稳定或抑制向环境中氮的流失科赫农艺服务该市场上只有一家公司。他说:“这有助于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，有效地使用肥料并在正确的时间施用适量的肥料是关键，因为这种做法消除了在经济和环境上都昂贵的浪费，并对农作物有帮助。

现在市场上有这么多这样的氮效率产品环境保护基金发起了一个项目叫做NutrientStar帮助农民比较氮肥管理工具。正确的选择很重要，因为“氮是很难管理，”一家名为CEO史蒂夫·Sibulkin说Adapt-N使氮气数据管理工具。“许多事情会影响氮的行为：作物，土壤类型，气候，”他说，这样的一个农场是什么在起作用 - 或单场甚至某一特定领域 - 可能无法在其他地方工作。

大规模减氮仍在进行中

在美国，包括《清洁空气法》和《清洁水法》在内的许多含氮污染物都受到强制性限制，但减少氮排放的努力目前尚未包括全面减少氮排放的具体目标。

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已经非常有效。这些措施包括要求技术减少工业的规定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——这也减少了有害氮的排放。随着人们越来越多地认识到农业对含氮空气污染物的影响，相关政策也开始关注这些问题，但美国的具体措施因农场规模和地点而有所不同。

政策在荷兰和丹麦,有效地推动农民实施措施,减少排放的粪便-通过农业废弃物容器和施肥技术已经成功地减少氨释放70%在丹麦、荷兰和40%帮助大大降低整体活性氮释放。而在美国则没有类似的例子中，U.S. Department of Agriculture and Environmental Protection Agency — and some individual states, including California — have programs to help states and farmers reduce nitrogen emissions and runoff. But right now, these efforts don’t yet take what might be described as a holistic approach to nitrogen releases throughout agriculture and food production.

“丹麦和荷兰是别人采取措施对氮的遥遥领先，”埃里斯曼说，但德国，奥地利，法国和意大利都开始仿效这一做法。这个问题的公众的看法，他说，仍然是非常低的，虽然。

Leach说:“我们需要解决两个方面的问题”，一方面是农场规模，另一方面是消费者。加洛韦说:“与所有的利益相关者进行沟通非常重要，不仅是生产者，还有消费者。”但无论如何，这个问题“是由人类、食物的种植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，下次当你考虑素食和牛肉汉堡的时候，你可以考虑一下。