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你知道吗,我们脚底下埋着多大一颗“硝酸盐炸弹”?
来自: 悠摘网
2018-09-11
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       说起现代农业对人类和环境的危害,农药与化肥的滥施滥用应该是大众耳熟能详的话题,农药的使用,特别是采收前农药的使用会对人体产生直接的影响,因而更受消费者的关注。但是大众对年销售量高达1750亿美元的化肥产业却知之甚少。所以今天饭儿就来说说化肥,这把为粮食增产做出卓越贡献,但同时污染环境,引起气候变化和威胁公众健康的“双刃剑”。


首先我们来看一则氮肥引起环境污染的最新研究报道:


最近,英国科学家在国际顶级期刊《自然·通讯》上发文,他们估计有超过1.8亿吨的硝酸盐存在于地下的岩石中,含量大概是土壤中硝酸盐的两倍。


这些地下岩石位于渗流区,在土壤层和地下蓄水层之间。因而随着时间的推移,岩石中的硝酸盐将慢慢渗入地下水中,从而导致水体氮含量增加。氮含量过高就会导致水体富营养化,使得藻类(蓝藻和红藻)大量繁殖。藻类死亡后会被需氧或厌氧微生物分解,前者不断消耗水中的溶解氧,后者产生硫化氢等臭味气体,从而导致水质恶化,最终造成鱼类和其他水生生物大量死亡。据估计由此带来的水处理的额外费用将高达每年数十亿美元


那这么多的硝酸盐是从哪来的呢?主要是由于氮素化肥在农业生产中的大量使用。各类氮素化肥(氨态、铵态和硝态等等)在土壤中被微生物转化为硝酸盐,一部分被植物吸收,另一部分由于其是带负电荷的阴离子,不易被土壤胶体吸附,所以会向下在渗流区积累,然后慢慢泄漏到地下水中。


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根据1925-2000年的渗流区氮含量变化的结果,我们可以看到大多数硝酸盐都存在于北美、中国和欧洲等地区脚下的渗流区岩石中,在那里,化肥已经被广泛应用了几十年。虽然一些发达国家已经加大了化肥在农业生产中的管控,例如欧盟正试图取缔硝酸盐的粗放使用,但是农民表示化肥对农业生产至关重要。


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1925-2000年渗流区氮含量变化


为什么农民对化肥如此“热衷”呢?


再多知道一点点——化肥的诞生:


自古以来,人跟土地就在不断“较劲”,希望能从土里多长出点粮食来。但直到200多年前,化肥被使用后,人类的营养水平才大幅提高,人口连续翻番的同时,人类文明进步呈现指数级增长,彻底突破了传统农业依赖于地力自然恢复的瓶颈。


区别于使用草木灰(含氮量太低)来提高土地生产力的传统做法,现代化肥的历史最早可追溯到有“萝卜汤森”(Turnip Townshend)之称的17至18世纪英国辉格党政治家查尔斯·汤森,此人除了搞外交之外,还积极投身于农业生产改革中,他首次研究了弗兰德斯地区的四种作物轮作系统的改善效果。


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接着,约翰·弗里德里希·迈尔,这位18世纪德国农业改革家首次向世界展示了一系列关于将石膏粉施于耕地的实验。随后,有很多化学家在这个方向上继续研究。


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1846年,德国化学家,“肥料工业之父”李比希在总结前人研究的基础上,批判了腐殖质营养学说,提出了矿质营养学说。他用实验方法证明:植物生长需要碳酸、氨、氧化镁、磷、硝酸以及钾、钠和铁的化合物等无机物;人和动物的排泄物只有转变为碳酸、氨和硝酸等才能被植物吸收。这些观点是近代农业化学的基础。


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几乎与此同时,英国企业家约翰·贝内特·劳斯在1837年开始试验不同肥料对于盆栽植物的影响,并在一两年后将试验拓展到田间。在1842年他申请了一种由硫酸分解磷矿获得的过磷酸钙作为肥料的专利,这也是人类首次的人工肥料试验。随后他聘请了约瑟夫·吉尔伯特,这位出自李比希门下的研究员担任罗森斯特(Rothamsted)试验站的主任。罗森斯特试验站也是世界上第一个农业试验站,直到现在它仍在向英国以及世界各国的农民提供关于土壤、肥料、作物、气候和营养方面的实用资料。


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19世纪后期,法国科学家J. B. 布森戈发现化肥中的氮含量是至关重要的。而1879年英国人S. G. 托马斯发明了碱性空气底吹转炉炼钢法。在炼钢过程中产生了磷酸钙这种副产物,后被作为肥料。


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碱性空气底吹转炉炼钢法的转炉器


人们发现化肥中的主要成分磷和钾可以通过工业开采,但是含氮物质需要化工合成。


挪威实业家和科学家克里斯蒂安·伯克兰和他的生意伙伴山姆·艾德在前人的研究基础上,发明了初期的空气固氮法(电弧法)。将氮气和氧气反应后生成一氧化氮,一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮,二氧化氮和水反应后产生硝酸,最后蒸馏提纯。这个方法模仿的是自然闪电过程中氮气和氧气的反应,反应非常耗能,因此工厂建在一个水力发电厂边上,并且难以推广使用。


随后20世纪初,德国化学家哈伯和博施俩人合作开发了哈伯-博施固氮法,使氮气和氢气反应生成氨气。这个方法在学术上是化工生产实现高温、高压、催化反应的第一个里程碑。工业上,合成氨的原料来自空气、煤和水,因此是最经济的人工固氮法,从而结束了人类完全依靠天然氮肥的历史,给世界农业发展带来了福音。要知道在此之前,19世纪初的欧洲是通过大量进口秘鲁的鸟粪石和智利的硝石来生产肥料维持农业生产。


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合成氨相关诺贝尔奖获得者(从左到右):哈伯;博施;埃特尔


1902年德国威廉·奥斯特瓦尔德开发的将氨气转化为硝酸的技术,不仅在化学上有很大作用,而且后来同哈伯等人的发明联系起来,进一步完善了现代化肥的技术路线。


在以上研究基础之上,硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵、尿素、磷酸铵、氮磷钾复合肥料等化肥产品相继问世,从此人类正式进入了化肥工业的时代。


我国使用化肥的历史始于1901年,台湾省从日本引进了肥田粉(硫酸铵即氮肥)用在甘蔗田里。但自主生产化肥则一直要等到1957年,当年在南京年产40万吨过磷酸钙的工厂投产。如今在我国,用占世界7%的耕地养活占世界20%的人口,化肥的贡献自然功不可没。


随着世界人口迅猛增长、城市扩张和耕地不断减少,人类更需要提高粮食的产量,从而对化肥的依赖性更强。人们开始过度施用化肥,由此带来的农业减产和环境污染问题也日益明显。例如


①过度使用单元素化肥,造成土壤性状恶化,农产品质量下降,农民发现减产后就施加更多的肥料,由此造成了恶性循环。


②过度使用化肥使庄稼易倒伏,易发生病虫害,继而增加农药的使用量,威胁人体健康。


③加剧环境污染,当肥料量超过土壤的保持能力时,就会迁移到周围土壤和浅层地下水中,对其中的生物造成危害。


随着中国对环境保护的重视,根据《国家环境保护标准“十三五”发展规划》和“十三五”国家环境保护标准制修订项目清单,2017~2019 年将制定的污染物排放(控制)标准和工程技术规范中多个涉及农资行业,如农药工业水污染物排放标准、农药工业大气污染物排放标准、化学肥料工业大气污染物排放标准、无机磷化学工业污染物排放标准、生活垃圾堆肥污染物控制标准及测量方法、生物有机质堆肥污染控制标准等,以及氮肥工业废水处理工程技术规范、磷肥工业废水治理工程技术规范、农田污染土壤治理工程技术规范等。


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如今随着过度施肥引起环境污染的相关信息的报道,越来越多的人开始追求绿色、无污染的有机农产品,发展生态农业。当然要从根本上解决问题,仍需要科学技术的发展,例如开发生物固氮技术,研制新型肥料(由特殊的包衣包裹,能逐步施肥到土壤中)。先污染,后治理,似乎是人类这几百年来文明进步的永恒话题,希望未来人工智能、大数据等新兴技术的发展,能为人类脚下这颗炸弹找到拆弹专家。

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