问题

工业固氮量和生物固氮量持平会有什么后果?

回答
如果工业固氮量和生物固氮量持平,那意味着人类通过工业过程固定的氮素总量,与自然界中通过生物固氮作用固定的氮素总量达到了一个平衡点。这听起来似乎是个不错的结果,毕竟我们一直担心工业固氮带来的环境问题。但细想之下,这个“持平”背后隐藏着一系列复杂而深刻的后果,其中有些是积极的,但很多却是我们不太愿意看到的。

首先,我们得明白一个基本事实:工业固氮量的大幅增加,是近代人类社会发展的关键驱动力之一。 哈伯博施法带来的工业固氮,为化肥的生产提供了源源不断的氮素。如果没有它,我们今天所知的农业生产水平根本无法支撑全球几十亿人口的需求。即使是目前,生物固氮虽然很重要,但其速度和规模远不足以满足全球农业对氮的需求。

那么,如果工业固氮量“持平”于生物固氮量,这意味着什么呢?这里有两种可能的情况:

情况一:工业固氮量大幅下降,与生物固氮量持平。

这是最直接也最令人担忧的后果。如果工业固氮量骤减到 apenas 与生物固氮量相当的水平,那么:

全球粮食产量将急剧下降: 这是最显而таки的后果。我们依赖的化肥产量会大幅缩减。即使地球本身能通过生物固氮提供一部分氮,也远远不足以维持现有农业的氮肥投入。这会导致农作物产量大幅下滑,许多依赖高产农业的国家将面临严重的粮食短缺危机。饥荒将不再是历史教科书里的章节,而是现实生活中的威胁。
全球人口承载能力大幅降低: 粮食是人口生存的基础。粮食产量的下降直接意味着地球能够健康供养的人口数量将大大减少。这可能导致新一轮的人口结构调整,甚至可能出现因资源争夺而引发的冲突。
农业模式将发生根本性改变: 我们将不得不回归更依赖自然循环的农业方式。这意味着更广泛地利用豆科作物轮作、绿肥等生物固氮手段。但这些方法效率较低,产能有限。一些高投入、高产出的农业区域将难以维持其现有模式。
工业发展模式将受限: 氮素不仅仅用于化肥,它也是许多工业产品(如炸药、染料、塑料等)的重要原料。工业固氮量的下降,意味着这些工业领域也可能受到原料供应的限制,影响相关产业的发展。
可能出现对生物固氮更强烈的依赖和开发: 在这种情况下,科学家和农民会更加关注和研究如何提高生物固氮的效率。可能会有大量的资源投入到基因工程、微生物研究等领域,试图“升级”生物固氮能力。但这并非一蹴而就,且存在技术风险。

情况二:生物固氮量大幅增加,与工业固氮量持平。

这听起来更像是“美好愿景”,但同样会带来一系列复杂后果:

地球生态系统的巨大改变: 生物固氮主要由固氮微生物完成,这些微生物广泛存在于土壤、水体以及植物根系中。生物固氮量的大幅提升,意味着这些微生物的数量、活性以及它们所处的生态环境发生了根本性的改变。
土壤和水体氮素浓度异常升高: 如果没有适当的转化和吸收机制,过量的固氮会导致土壤和水体中的氮素浓度急剧升高。这会打破原有的氮循环平衡,可能导致:
富营养化加剧: 水体富营养化会进一步恶化,藻类大量爆发,消耗水体中的氧气,导致水生生物死亡,形成“死亡地带”。
土壤微生物群落失衡: 某些固氮微生物的大量繁殖可能会挤占其他微生物的生存空间,改变土壤的微生物多样性和功能。
植物生长失衡: 虽然氮素是植物必需的,但过量的氮素也可能导致植物生长紊乱,叶片徒长,抗病虫害能力下降,甚至影响其繁殖。
温室气体排放变化: 氮循环的改变与温室气体排放密切相关。例如,土壤中的硝化和反硝化过程会产生一氧化二氮(N₂O),这是一种比二氧化碳更强的温室气体。生物固氮量的大幅增加,如果伴随着未被充分利用的氮素在土壤中进行转化,可能会导致N₂O的排放量显著增加,加剧气候变化。
生物多样性潜在威胁: 原本依赖特定氮素水平和微生物群落的植物和动物,可能会因为环境的剧变而难以适应,导致生物多样性下降。
农业生产模式的调整(即使是正面的影响也伴随调整):
化肥依赖度下降: 这是一个积极的方面,意味着我们可以减少对化石燃料的依赖,降低生产化肥的能源消耗和环境污染。
新的农业技术需求: 为了充分利用增加的生物固氮能力,我们需要开发和推广新的农业技术,比如更高效的固氮作物栽培、微生物接种技术等。这需要大量的研发和推广投入。
对自然氮源的开发和利用: 可能会出现对土壤、水源中富集氮素进行收集和再利用的技术需求。

更深层次的思考:何谓“持平”?

关键在于,工业固氮量“持平”于生物固氮量,这个“持平”是一个动态过程还是一个静态结果?

动态平衡的“持平”: 如果地球的氮循环能够有效地将新增的生物固氮转化为植物可吸收的形式,或者被其他生物过程利用,并且土壤和水体的氮素水平能保持在相对稳定的、生态系统可承受的范围内,那么生物固氮量的自然增加,配合上人类对工业固氮的谨慎使用,理论上可以实现一个更可持续的平衡。但这种平衡的实现需要地球生态系统本身拥有强大的自我调节能力,并且我们的活动要与自然节律高度契合。
低水平的“持平”: 另一种“持平”可能是双方都处于一个较低的水平。例如,我们大幅削减了工业固氮,但生物固氮也没有显著提高,结果就是全球氮素的总供应量远低于当前需求,导致前述的粮食危机。

总结来看,工业固氮量和生物固氮量持平,无论是以哪种方式实现,都意味着人类社会和地球生态系统都将面临巨大的转变。

如果工业固氮大幅减少,那无疑是一场灾难,是无法支撑当前全球人口和经济发展的。我们宁愿面对工业固氮带来的环境问题,并努力去解决,而不是让其消失。

如果生物固氮大幅增加以“持平”工业固氮,那同样是一个极端的变化,会剧烈改变地球的生态环境,其负面影响可能比我们想象的还要复杂和深远。生态系统并非一个简单的水箱,你可以随意往里加水(氮素),它总能找到方法处理。氮素的循环是一个高度复杂的网络,其中的任何一个环节被剧烈扰动,都可能引发连锁反应。

因此,比起“持平”,我们更追求的是一种“协调”。工业固氮的目的是为了满足人类需求,但其方式和规模必须与地球生态系统的承载能力相协调,并尽可能地接近自然氮循环的节奏。这需要我们对农业生产、能源利用、环境保护等各个方面进行精细的管理和优化,而不是简单地追求一个数字上的“持平”。

网友意见

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题目谈到的书里已经讲了一部分后果:

工业固氮生产的氮肥、燃烧化石燃料释放的氮氧化物之类,早在和生物固氮量持平之前,累加起来就超过了地球生物圈能自然吸收掉的份额,引起淡水酸化、海水富营养化。这对单细胞生物十分有利,对植物的多样性有害——尤其是在贫氮土壤上生长多年、适应了该环境的植物物种会被跟着人类提供的氮源冲上来的快速生长的植物物种击退,进而通过单细胞生物释放毒素、消耗氧气和植物类型变化危害动物多样性。

  • 海洋生态系统的自然氮输入是很有限的,人类引起的大量氮输入会导致藻类和光合细菌大量繁殖,引起海水缺氧乃至有毒,大量消灭水生动物。
  • 对于特定的森林·草原,氮输入增加后短时间内可以观察到总生物量上升,但物种丰富度可能下降;随着氮饱和,进一步输入会开始给植物造成损害,让总生物量和物种丰富度一起下降。

被硝酸·亚硝酸等酸化到一定程度的淡水对动物有毒,这对人的饮用水也构成威胁。

大气中的氨和氮氧化物引起人和非人脊椎动物的呼吸系统疾病发病率上升。

氮氧化物破坏臭氧层带来的效果没有题目里那本老书谈的那么厉害,但仍然可以增加大片区域内动物的皮肤癌发病率。

一氧化二氮是强力的温室气体(以 100 年的清除周期计算,每个分子的温室效应是二氧化碳分子的 265 倍),可以加剧全球变暖。在人类的影响下,其在大气中的浓度已经从工业化前的十亿分之 270 上升到 2020 年的十亿分之 333。

另一方面,现实中工业固氮量早已超过了生物固氮量。如果现在降低工业固氮量到和生物固氮量持平,那么农业或人类的人口数量必须做出相应调整,例如对饲养的牛进行大屠杀来减少其饲料占用的氮肥。

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