综述：粮食安全与环境健康：氮素困境

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Food Security Versus Environmental Health: The Nitrogen Dilemma

　　

氮（Nitrogen）是植物生长及作物生产所必需的关键元素。然而，氮在环境中的循环会产生负面效应。本文回顾了这些效应的科学认知与公众意识的历史发展进程，以及这种认知对控制这些效应的政治行动所产生的影响。以德国为例，研究人员探讨了过去的氮素迷思，以及科学进步如何破除这些迷思，并将当前社会寻求充足食物、清洁环境和终结气候变化的立场置于具体背景之中。鉴于农民持续承受着解决所有这些问题的沉重负担，研究人员认为，从当前已达到的状态来看，进一步减少作物生产的氮投入未必能导致环境中氮循环的进一步降低，反而可能导致产量和产品品质的下降。尽管如此，在稳定作物产量的前提下提高氮利用效率，并增强对潜在环境和人类健康危害的抵御能力方面，仍存在潜力。研究人员就未来可采取的措施提出了若干建议。

1 引言

氮（Nitrogen, N）是植物最关键的必需营养元素，无法直接从大气中获取。向作物供氮甚至在人类意识到其存在之前就已提高了作物产量。动物排泄物数千年来在保持土壤肥力方面发挥了关键作用，其在田间的循环利用是全球耕作理念的重要支柱。氮的鉴定以及合成铵态氮、硝态氮矿物肥料和尿素的技术标志着工业化农业的开端。矿物肥料可用性的增加使得作物产量显著提升，这反过来又引发了相关国家乃至全球人口的急剧增长。然而，农业生产力的巨大强化也伴随着不良副作用。矿物肥料的生产过程耗能巨大，目前每年贡献0.4–0.6 Gt CO₂eq，占化石燃料总CO₂排放的一部分。同时，农业生态系统很快变得氮过载，氮流失进入水体、大气和邻近生态系统，成为环境和人类健康的普遍问题。

虽然20世纪上半叶，关于食品和饮用水中的硝酸盐会导致人类消化道癌症和婴儿发绀症的假设引起了科学家的关注，但环境方面直到20世纪80年代才成为讨论话题。高浓度氮被确定为水生生态系统的问题所在，特别是与进入水体的磷负荷共同作用时，会导致严重富营养化和许多湖泊生态系统的崩溃。此外，以氨（NH₃）形式的气态排放及其后续沉降被发现与酸雨时期有关，当时工业过程中强劲的硫排放以及农业中的氨排放导致雨水中硫酸和硝酸浓度升高，引发了20世纪80年代大规模的森林死亡。不久之后，在日益升温的气候变化辩论中，氮在农业生态系统中作为气态排放源的作用愈发突出，其中包括一氧化二氮（N₂O），它是一种重要的温室气体（GHG）和平流层臭氧消耗物质。目前全球N₂O排放量估计为每年18 Tg N，主要来源于农业。尽管N₂O排放量远小于CO₂，但其在大气中的反应模式使其增温潜势是CO₂的273倍，自前工业时代以来，它们对人为全球变暖的贡献约为6%。与此同时，NH₃排放被认为是空气中可吸入颗粒物形成的重要前体物，对人类肺部有潜在危害。

关于硝酸盐对人体健康潜在风险的密集沟通，有助于让更广泛的公众意识到环境中的硝酸盐问题，并激励政治家采取行动应对各种生态系统中大量的氮盈余。这一过程得到了关于不同环境通量和生化转化过程的科学研究以及后来发现的其他形态氮所涉及的环境问题的支持。如今，似乎已经达到了一个节点，即从土壤加氮到向环境的水体和气体排放的大多数相关环境过程已被理解，反馈机制也已阐明。然而，氮损失的量化仍然充满挑战，减少损失的成功案例似乎很少。从全球角度看，氮污染及其对原始生态系统及其生物多样性的威胁被认为是最紧迫的社会挑战之一。在地球边界概念中，地球生态系统对氮的承载能力已经被超越。然而，很明显，世界上不同的地区和政府在对抗过量氮的斗争中处于不同阶段，面临着大量需要克服的障碍。德国是氮辩论历史最悠久的国家之一，长期实施基于科学的措施使其如今的氮盈余大大降低。尽管如此，欧盟委员会提出的将农业氮污染降至不再危害健康和环境的水平的目标，对于农业部门来说似乎难以实现，因为任何进一步的氮减排显然都需要减少氮的使用，而这往往会对植物生产产生减产后果。然而，问题要复杂得多，重新审视德国在这方面的历史努力可能提供了一个很好的例子，说明哪些措施有效，哪些无效。

2 氮作为作物生产的驱动力

在哈伯-博世法（Haber–Bosch process）用于工业化氮肥生产之前，施用于农业土地的矿物肥料量很低，主要来自智利硝石和焦炉产生的硫酸铵。计算表明，世界矿物氮肥产量从1860年的每年80 kt N上升到1900年的每年360 kt。哈伯-博世法于1911年获得专利，其在50年内贡献了世界矿物氮肥总产量的85%以上，总氮产量呈指数级增长直至20世纪80年代。农业中氮使用的增加导致了全球范围内作物产量和吸氮量的增加。然而，工业化国家的过度施肥导致了氮盈余的增加，并伴随着氮利用效率的降低。

欧洲的工业化氮产量在20世纪80年代末下降，原因是苏联帝国的解体及其带来的重大政治社会经济剧变，以及环境法规的实施。在北美洲，氮产量在20世纪90年代中期下降，而亚洲的产量则持续增长，其中中国的贡献最大，直至2015年。此后，中国政府更加关注环境问题的解决方案。

作为第二次世界大战的后果，欧洲遭受了大规模的基础设施破坏，包括农业。劳动力稀缺、种子和机械匮乏，加之1946–1947年异常寒冷的冬季和随后1947年夏季的严重干旱，导致了创纪录的低作物产量，引发了严重的粮食短缺，造成中欧大片地区数十万人死于饥荒。粮食配给一直持续到20世纪50年代，欧洲的粮食安全是重中之重。1955年，西德政府通过了“绿色计划”，这是一套促进农业复兴的措施，包括保障农民种植谷物、牛奶和肉类的收入。次年签署的《罗马条约》使欧洲共同体六个创始国承诺实施共同农业政策（CAP）。CAP引入了“干预性收购”，激励农民进行生产而不论其产品是否有市场，结果导致生产过剩。主要直接影响是，保证价格使得在作物生产中使用更多氮肥在经济上可行，这也使农民能够增加牲畜存栏量。

在德国，矿物氮肥的引入使得越来越多的边际土地得以用于农业。除了增加氮肥施用外，CAP的经济激励还导致通过翻耕持续将草地转变为耕地，这通常伴随着排水等“必要的土壤改良”。转换后的最初几年，高氮矿化速率加剧了水体的硝酸盐污染。在下萨克森州，农业用地面积从1878年至今持续减少。20世纪上半叶，农业用地以及耕地与草地的比例几乎保持不变。然而，在1950年至2023年间，耕地面积增加了约27%，而永久性草地减少了约44%，改变了耕地占比。同时，主要农作物的份额也发生了变化。同期下萨克森州的小麦产量增加。虽然直到20世纪50年代末，增产趋势遵循长期遗传趋势，但从1960年到20世纪90年代，斜率比遗传趋势更强，这归因于矿物氮肥用量的增加。尽管遗传趋势仍然为正，但从20世纪90年代开始，下萨克森州、德国乃至世界许多国家都出现了产量增长放缓和平稳的趋势。

虽然矿物肥料用量的增加带来了作物产量的大幅增长，但养分平衡显示农田氮盈余不断增加。在早期的国家尺度农业用地养分平衡计算中，20世纪80年代初，德国西部来自肥料和氮沉降的氮输入超过作物收获产品氮输出的氮盈余超过了每年每公顷100 kg N。东德的氮盈余情况类似。20世纪90年代，欧洲和德国的肥料用量和盈余有所下降，这是由于前华沙条约国家（包括东德）的结构崩溃导致牲畜数量显著下降，以及环境法规的实施。

3 对氮作为人类健康威胁的日益关注

硝酸盐一直被认为是一种对人体健康无毒的化合物。因此，向土壤中添加越来越多的硝酸盐从未受到质疑，尤其是考虑到其对作物产量的促进作用。然而，1902年，“蓝婴综合征”（高铁血红蛋白血症）首次被描述，亚硝酸盐（硝酸盐的代谢产物）被假设是导致一些奶瓶喂养婴儿死亡的原因。这彻底改变了对硝酸盐的看法，从20世纪50年代起，人类通过水和食物摄入硝酸盐成为一个严重问题。

饮用水中的硝酸盐可导致高铁血红蛋白血症，亚硝酸根离子能使血液中的血红蛋白失活，从而降低其携氧能力。三个月以下的婴儿胃内pH值尚不稳定，他们从配方奶粉中摄入硝酸盐后，在胃肠道内形成亚硝酸盐的可能性更高。世界卫生组织在其首个饮用水质量标准的建议中将阈值设定为50 mg NO₃ L^-1。硝酸盐的致癌潜力在于其可能由唾液细菌转化为亚硝酸盐，随后在胃的酸性环境中反应生成N-亚硝基化合物。与奶酪和肉类产品中的亚硝酸盐相反，科学界直到20世纪70年代中期才接受硝酸盐的重要作用。20世纪80年代的进一步研究揭示了硝酸盐-亚硝酸盐-一氧化氮途径，并发现硝酸盐是在体内内源性产生的。因此，在20世纪90年代，观点从仅仅将硝酸盐视为有害物质转变为认识到其潜在的治疗益处。进入21世纪，新的研究表明，即使饮用水中硝酸盐浓度远低于50 mg L^-1的标准，长期暴露也与癌症风险增加显著相关。因此，丹麦政府任命的一个国际专家组最近建议将饮用水中的硝酸盐限值大幅降低至6 mg L^-1。

蔬菜也是人类硝酸盐摄入的来源。欧洲食品安全局（EFSA）已将蔬菜和水果确定为膳食硝酸盐摄入的主要来源，占总摄入量的50%–75%。前科学委员会设定了每日允许摄入量（ADI），并于2002年得到联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会的再次确认。欧盟为某些蔬菜设定了硝酸盐最高限量。然而，与饮用水相反，富含硝酸盐的蔬菜与癌症风险并未显示出正相关性。蔬菜富含抗氧化剂，可能抑制有害N-亚硝基化合物的形成。因此，EFSA得出结论，食用蔬菜的好处大于与硝酸盐暴露相关的潜在风险。

4 从人类视角到生态系统视角

保护人类健康一直是20世纪大部分时间设计和实施旨在减少饮用水和食品中氮负荷的政策和措施的最重要驱动力。然而，在20世纪80年代，视角逐渐转变。虽然在医学领域，硝酸盐对人体的益处已被识别，并与非常罕见的高铁血红蛋白血症病例以及硝酸盐摄入与癌症发展之间的矛盾关系进行了权衡，但在20世纪末，氮在一系列日益严重的环境问题中的作用变得越来越明显。2010年至2014年间，德国农业占硝酸盐淋溶的88%、氨排放的93%、NO_x排放的12%（2023年数据）以及N₂O排放的74%。

氮作为一种重要的空气污染物，在20世纪60年代，由二氧化硫排放引起的斯堪的纳维亚湖泊酸化以及广泛的空气污染被确认为一个问题，即使在离排放点很远的地方也是如此。这需要在国际层面进行合作，并促使联合国欧洲经济委员会各国于1979年通过了《长距离越境空气污染公约》。在20世纪70年代和80年代，酸性硫和氮组分造成的空气污染急剧增加，助长了欧洲主要城市的烟雾事件，并引发了酸雨现象，导致中欧森林大面积死亡。1999年的《哥德堡议定书》首次涉及水体富营养化问题，从而使氨更多地进入人们视野。《哥德堡议定书》及其修订版通过国家排放上限指令被纳入欧盟法律。德国承诺到2030年，将年度NO_x排放量在2005年基础上减少65%，年度NH₃排放量减少29%。农业已被确定为德国最主要的氨排放源，2023年排放量为527 kt NH₃，占总氨排放量的93%。农业氨排放的主要来源是畜牧业，排放发生在养殖场、储存和粪肥施用环节。在施用某些矿物肥料或发酵残留物时也会产生高氨排放，其中尿素最为突出。通过使用脲酶抑制剂可以大幅减少尿素的排放，但这些添加物质的归宿、降解性和环境影响等问题仍未解决。在粪肥施用过程中，被证明有效的减少氨排放的措施包括：表面施用后立即快速翻埋、直接注入土壤，以及在立茬作物情况下贴近地面条施。这些做法已被纳入德国肥料条例和技术指导文件。氨排放从1991年到2016年保持相对恒定。此后，实施的减排措施结合牲畜总数的总体下降和矿物肥料用量的减少，导致氨排放量下降。尽管相关法规为实现国家排放上限目标做出了重大贡献，但仅靠它们自身不足以实现2030年的目标。

氮作为水生生态系统中的污染物，地下水质量一直是饮用水的主要来源，湖泊酸化已使科学界对生态系统的远程耦合路径敏感起来。然而，流入地表水的营养物质不断增加引发了另一个严峻的环境现象：由于严重富营养化导致的湖泊生态系统崩溃。很快，磷和氮被确定为这一过程的主要驱动元素。虽然早期的欧盟立法是为了保护人类健康而保护饮用水资源，但富营养化问题推动了欧盟硝酸盐指令和水框架指令的设计。后者旨在确保到2027年所有欧洲水体至少达到良好的化学和生态状态。此外，2020年的《欧洲绿色协议》中包含一项内容，即以2012–2015年为基准，到2030年将养分损失减少至少50%。欧盟硝酸盐指令规定了成员国必须履行的一系列步骤，包括监测硝酸盐脆弱区地下水和地表水中的硝酸盐浓度，以及制定包含强制性措施的硝酸盐行动计划，这在德国主要通过肥料条例实施。对含水层硝酸盐浓度的历史测量在德国很少见。一项研究显示，1930年至2017年间，多瑙里德含水层的硝酸盐浓度从大约10–15 mg NO₃ L^-1增加到30–40 mg NO₃ L^-1，在1960–1995年间斜率更大。单个饮用水井中硝酸盐浓度的增加提高了人们对来自农业用地等扩散源的硝酸盐污染的认识。这导致在20世纪80年代初建立了一个系统性监测网络。在过去几十年里，尽管观察到超过50 mg NO₃ L^-1的欧洲环境署监测站点数量略有减少，但仍有三分之一的监测站点处于临界状态，即浓度大于25 mg L^-1。对于地表水，在20世纪80年代，超过55%的监测站点至少显示出硝酸盐水平升高并超过了目标等级。与地下水相反，在1992–2012年期间，欧洲和国家层面的河流平均硝酸盐水平均显著下降。然而，此后改善速度放缓。在德国肥料法的修正案中，“可持续和资源节约地使用养分”以及“尽可能避免养分流失到环境中”的目的首次将环境关切提升到与肥料法其他目的同等的地位。这以及肥料条例的调整，使施肥策略从纯粹的经济最优转向生态经济最优，需使用显著更少的肥料量。然而，欧盟委员会认为这些努力不足。2018年，欧洲法院裁定德国违反了欧盟硝酸盐指令。作为回应，联邦政府于2020年2月提交了一份新的肥料条例草案，定义了更严格的规定。2020年肥料条例的一个新组成部分是，如果监测到的水体超过50 mg NO₃ L^-1的质量标准或根据磷酸盐水平被归类为富营养化，则各联邦州必须分别指定硝酸盐污染的“红色区域”和富营养化的“黄色区域”。在这些区域，必须采取更严格的措施来减少氮和磷输入水体。欧盟委员会接受了这一点，并于2023年6月宣布终止违规诉讼程序。然而，近期德国环保组织提起的诉讼导致德国被定罪，可能会进一步修订德国肥料立法。2017年和2020年对肥料条例的修订已经导致了氮盈余的显著减少。然而，这种减少尚未在地下水和地表水中观察到，这可能是由于近年来干燥的条件和低渗漏率，加上从硝酸盐输入地点到地下水观测点的长传输距离。然而，在减少氮肥施用的过程中，更高的矿化速率也加剧了这一现象。

氮作为全球变暖的重要驱动因素，N₂O在2024年占全球温室气体排放量的4.8%，使其成为全球第三大最重要的人为温室气体。全球范围内，施肥农田是大气温室气体N₂O的主要来源。目前农业直接N₂O排放量的估计值约为每年3.9 Mt N，加上约每年1.3 Mt N的间接排放。间接排放源于NH₃排放及其随后在未管理土地上的氮沉降，以及NO₃淋溶到水生生态系统。2024年，N₂O在德国温室气体排放总量中的份额为3.5%，但在农业部门中占34%；也就是说，74%的N₂O排放来自农业。其中，施肥直接排放约占30%，间接排放约占20%。从1990年到2023年，德国农业的N₂O排放量减少了26%。大气N₂O浓度目前测量值为340 ppb，比前工业时代高出约60 ppb，并以每年约1%的速度上升。虽然这种增加已有充分记录，但源归因仍然困难且伴随很大不确定性。这对于来自农业土壤的排放尤其如此，因为排放不仅受氮肥施用率的影响，并且当氮肥施用超过作物氮需求时往往呈指数增长，而且还取决于其他土壤特定的环境条件。后者对于排干的有机土壤尤为重要。此外，由于土壤N₂O排放主要由硝化和反硝化的土壤微生物过程驱动，其时空格局变化迅速，产生“热点时刻”和“热点区域”。准确量化农业土壤N₂O排放的挑战仍未解决，因为任何进一步进展都需要来自代表性农业站点的高分辨率、连续、多年的总氮收支和N₂O损失测量。第一个设定稳定温室气体浓度目标以防止危险的人为干扰气候系统的国际行动是1992年的《联合国气候变化框架公约》。1997年，《京都议定书》补充了该公约，首次达成了具有约束力的温室气体减排目标。随着2015年《巴黎协定》的达成，各方同意将人为全球变暖限制在2°C以下，最好是1.5°C。《巴黎协定》导致了更进一步的减排目标，即在欧盟层面通过《欧洲绿色协议》实现2050年净零排放，在德国通过《联邦气候保护法》实现2045年净零排放。N₂O通量通常随氮盈余增加而增加。因此，降低氮肥施用量被认为是降低N₂O通量的一般方法。然而，最近的实地工作表明，这在具有高N₂O排放潜力的地点最为相关。降低N₂O通量的其他策略包括使用硝化抑制剂、优化土壤pH值和有机施肥，以及对中间作物和作物残留物进行特定管理。通过田间管理优化N₂O减排的进展受到难以量化N₂O还原为N₂的阻碍。因此，影响旱地土壤中氮反硝化的复杂因素相互作用在很大程度上仍未解决。年度农业排放清单是为了量化来自农业源的气候相关气体的减排量而编制的。

5 科学创新与实践意义

19世纪末的农学教科书已经提倡将施肥作为补偿作物消耗的策略，并包含了作物收获将从系统中带走多少氮的详细计算。从那时起，官方对作物的施肥建议（葡萄除外，其氮吸收动态直到20世纪80年代才被研究）在产量预期方面基本没有实质性变化。然而，战后几十年的欧洲——特别是在德国——创造了一种几乎没有障碍地使用氮来推动产量不断提高的经济环境，农民在不自觉中施用了氮。随着公众对潜在健康问题和湖泊河流富营养化认识的提高，氮高效作物生产的理想得以复兴。新兴概念的核心思想是将土壤视为一个可以更明智地利用的氮库，科学界开始更有意识地研究季节性氮动态。这需要通过取样确定生长季开始时根层中溶解态矿物氮的含量。“N_min方法”提出，春季第一次施氮量的计算应基于土壤N_min含量与作物特异性目标值之间的差值。类似的平行方法在东德也得到了发展。然而，对休闲地块的研究揭示了土壤供氮能力的显著变异性，这促使开发数学模型来计算季节性供应。第一部德国肥料条例已经要求根据植物需求和土壤补给计算肥料需求量，但无需记录，因此未被严格遵守。直到2017年肥料条例修正案，记录才成为强制要求。一个类似的挑战是评估来自添加有机物（如有机肥料或富氮作物残留物）的季节性氮供应。有机施肥长期以来被视为一种延缓植物有效氮释放、使其更可能与作物氮需求同步的策略。然而，有机源也在没有作物存在时释放了大量氮，在轮作中形成了氮容易通过淋溶和挥发损失的“泄漏点”。为了克服生长季节矿物氮释放未知的问题，提出了对N_min方法的若干补充。其中之一是“施肥窗口”，即在田间设置一个小区，施用减少的肥料剂量，观察作物的绿度作为其组织氮浓度的代理指标，以指示因即将出现的缺绿症而导致的缺氮。通过电超滤（EUF）对土壤有机质进行分级被开发为土壤氮释放能力的替代指标。然而，与培养实验和覆盖休闲地块氮供应的比较未能证实该指标的实用性。专家系统试图利用多个田间试验数据、田间历史、管理和天气信息来优化氮肥施用。在主生长季期间对作物氮状况进行额外测量的建议被提出，例如通过分析茎基部氮浓度或使用手持式光学传感器来确定追施氮的需求。后来，开发了拖拉机搭载的有源和无源光学传感器，用于在行进中检测作物的氮状况。田间氮矿化很大程度上受天气条件（主要是温度和湿度）决定。为了预测这些时间动态，从20世纪70年代开始开发了模拟模型。最初的模型方法非常复杂，试图通过显式模拟土壤中微生物生物量的种群动态来表征耦合的碳和氮矿化与固定。为了确定潜在的矿化氮，使用了有机质的各种组分。然而，根据物质成分或物质组分的区分被证明不适用于描述田间过程。在建模方面更成功的是定义概念性库。基于斯坦福和史密斯描述氮净矿化的一级动力学方法，莫利纳等人和里希特等人能够在培养实验中区分出两个具有不同周转系数的组分，或者在使用干燥土壤时区分出三个组分。在培养实验中确定的反应系数被用于模型中，利用温度函数计算田间的矿化。基于过程的作物生长模拟模型是在20世纪60年代开发的。第一个用于预测作物在水和氮双重亏缺下响应的土壤氮模型是由塞利格曼和范科伦开发的。从20世纪80年代末开始，结合了土壤动态（碳和）氮方法与作物生长模型的几个模拟模型被开发出来。为了表示氮胁迫，作物模型通常使用生物量中临界氮浓度和氮营养指数（NNI）的概念。然而，模型输入要求往往超出了农场实际数据的可用性。因此，实时应用模型估算作物氮需求并在生长季节得出氮推荐的做法仍然很少。区域氮收支与非饱和带的模拟硝酸盐损失相结合，用于估算流域尺度的硝酸盐淋溶。反硝化作用使用经验阶段模型进行模拟，后来通过实施米氏动力学进行了改进。