2015年2月1日星期日

从哈伯法(Haber-Bosch Process)说起

自从几年前开始教通识课以后,对于许多课程要怎么教,开始有了不同的想法。怎么说呢?一般专业课程总是强调「专业」,举个例子好了,学过国高中化学的同学应该都知道哈伯法(Haber-Bosch Process),在高温高压下以铁粉做为催化剂将氮气与氢气转化为氨(ammonia):

N2 + 3H2 → 2NH3

通常化学课的时候,老师只会提到,因为氮气(N2)的两个氮原子之间是三键(Covalent bond),所以要打开氮气很不容易;因此不但要用高温高压,还要用铁粉当催化剂...

然后?就没有了。讲完了。

但是,哈伯法伟大的地方就只是这样吗?哈伯(Fritz Haber)因为发明了这个方法,得到1918年的诺贝尔化学奖。难道就是因为他成功的打断了氮-氮三键而已吗?

图片来源:维基百科
当然不是。哈伯法的重要性在于,从此人类打开了以人工提高作物产量的大门,农作物的产量从此大大的提高。

当然,产量提高其实也是有限度的,在植物的营养上,有个名词叫做「关键浓度」(critical concentration)。当土壤中的养分低於这个浓度时,植物的生长与养分的浓度成正比;超过这个浓度以后,植物的生长跟养分的浓度就不成正比了,也就是说,用再多也没有明显的效果。

但是,在过去只能使用天然肥料(动物的尸体、粪尿、植物的落叶等)的时代,由於天然肥料必需要等待微生物分解(这部分在堆肥时已经大致完成),再经过土壤中的微生物将其中含氮成分分解为硝酸根(nitrate,NO3-)与銨离子(NH4+)后,才能為植物所吸收,因此效果缓慢。加上為了方便起见,农人们总是会以单作(monoculture)的方式来种田,这种在大片的土地上种植单一作物的方式,很容易会使土壤缺少某些特定的养分(尤其是氮与磷),所以在哈伯法还没有出现以前,要提高土壤内的氮浓度,除了使用天然肥料之外,就只剩下使用绿肥,或是与豆科植物轮作了。

但是,这些方法,都不能使土壤中的氮的浓度超过关键浓度;因此,当哈伯法出现之后,农夫将化学肥料施放在田里,立刻有了奇效——农作物的产量大大的提升。加上育种改良以及杀虫剂、除草剂的使用,20世纪小麦与稻米的产量提升了8-10倍(平均产量是4倍)。

但是哈伯法对於科学界的贡献,并不仅仅在於农作物产量的提升;在哈伯发明化学固氮之前,一直有一派学说认为,这些在生物体中的化合物,只有生物才能合成(也就是所谓的生机论Vitalism)。虽然生机论在科学上的地位在1828年在维勒(Friedrich Wöhler)合成尿素以后,已经岌岌可危;但是直到哈伯法出现以后,生机论才不再被提起。

但是哈伯法对全人类最大的贡献,还是在于:从此想要多少氮肥,就可以制作多少氮肥。虽然在十九世纪Sach等人的研究,已经使大家了解,要能够正常的生长与繁殖,植物需要17种元素(称为必需元素essential element);但是其中最关键的氮与磷,却始终无法足量提供给植物。

但是,大量的施放氮肥,却造成了另一个效应:死亡海域(Dead zone)。

死亡海域最早出现在1970年代。由于化肥的大量施用早在1930年代就开始了,因此也花了一些时间去釐清到底是怎麼回事。简单来说就是,大量施放氮肥(主要是硝酸根)与磷肥(磷酸根)到土壤中,但是土壤主要是由硅酸铝颗粒构成,也是带负电的,所以同性相斥使得氮与磷无法久留在土壤中,很容易随著雨水、灌溉水流到附近的湖泊与河流裡,最后流到海裡。

当海里的氮与磷浓度上升以后,造成藻类大量生长,形成藻华(algae bloom);藻华隔绝了水下植物的阳光,使得水下植物开始死亡;植物的死亡与分解吞噬了水中的氧气,接着动物开始死亡......然后就是死亡海域。

由於惯行农法的单作、密植,使得化肥成为农业的必要之恶;所以死亡海域一直都是难以解决的问题。2008年的统计,全球的死亡海域共有405个点;而死亡海域的「热区」集中在人烟稠密的北半球。

全球死亡海域热区。图片来源:维基百科

而施放化肥加上灌溉,除了造成死亡海域之外,又会使得土壤酸化、盐化。虽然哈伯法似乎在短时间内提高了农作物的产量,养活了许多人(这可以由1940年代开始,世界人口急速上升看出来);

世界人口增长速度。图片来源:维基百科

但是,哈伯法所造成的副作用,包括死亡海域、土壤酸化、盐化,以及因为人口大幅增长造成土地大量被开发的生态破坏等等......究竟是功是过呢?其实科学家发明了新技术,而这个新技术在大量被使用之后,产生了意想不到的变化,我想这也是当初哈伯始料未及的吧!

参考文献:
1. Taiz and Zeiger, Plant Physiology, 5th ed.
2. Laurance Mee. 拯救死亡海域。2006。科學人。
3. Wikipedia. World population, Dead zone.


文章摘自老葉的植物王國

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