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氮、磷、钾是肥料三要素,其中以氮肥为首。你知道农民施下去的氮肥,究竟是如何被植物吸收的?植物若缺氮会病恹恹,那为什么氮肥施多了,反而没效?到底怎样才是最有效率、最精准的施肥法?
这些问题的终极答案,必须回到分子生物学的领域来解答,而国内研究植物吸收氮肥分子机制的第一把交椅,就是中央研究院分子生物研究所的特聘研究员蔡宜芳。
温煦谦和、思路明晰的蔡宜芳老师,投入这个领域的研究已将近三十年,深知氮肥的“美丽与哀愁”。美丽是,氮源是植物健康生长之绝对必须,营养充足的作物才会好吃;而哀愁是,农民往往过度施肥,导致大量氮肥遗留在土壤中被冲刷流失,造成严重的环境污染和能源耗竭。
“我们施下去的氮肥,真正被植物吸收只有30-50%,这样多浪费!”蔡宜芳开门见山道,“有人估说一块钱的肥料,要用四块钱去clean up(清理)环境的问题。”
蔡宜芳解释,氮肥的来源,最早是鸟粪,来自秘鲁的钦察群岛。再来是开采天然硝石,主要来自智利。最后由德国科学家哈柏(Fritz Haber)和工程家博施(Carl Bosch)将氮气和氢气混合,透过高温高压加上以铁作为催化剂,合成了氨气,进而制造氮肥,这就是有名的“哈柏法”。绿色革命后,肥料需求暴增,硝石很快就被开采光了,幸亏有哈柏法可以人工合成,解决了氮肥短缺的大问题,两人并因而获得诺贝尔化学奖。
氮气在空气中占了78%,氮肥的原料看似源源不绝、从此无缺,然而高压高温的制程,却需要耗费大量能源。蔡宜芳说,“全球有1%的能源都花费在制造氮肥上!”但是农夫施肥时,很少人会想到自己正在“耗能”。
蔡宜芳指出危机,“能源越来越珍贵,但是氮肥需求一直增加,每年超过一亿吨,预估将来还会上升。”未来能源愈加昂贵,氮肥的价格也会跟着逐年上涨,而肥料占农业支出的比重恐会与日俱增。
“钱的问题、能源的问题都还可以解决,最不能解决的是环境的问题,”蔡宜芳强调,大部分的氮肥没办法被植物利用,还会产生一氧化二氮,是比二氧化碳更强烈三百倍的温室气体。
而且残留在土壤中的氮肥,很快就被雨水冲刷流失,经地下水、河川流到海洋,造成沿海优养化,即养分过多、藻类大量增生,使得水域缺氧,鱼虾全部死亡。全球许多海岸的“死区”(Dead Zone),即由此而生。
农委会长年在推“合理化施肥”,不过绝大多数的农夫还是觉得“有氮有保庇”,养成了“宁滥勿缺”的施肥习惯。然而氮肥施用会有“报酬渐减”的效应,却经常被忽略。
“一开始加氮,确实产量有增加,可是到了某个程度,再增加氮,产量并不会继续增加。这是农委会一直要告诉农夫的,但是农夫不愿意产量差那么一点,一定要加到最满。”
蔡宜芳钻研植物吸收氮肥的分子生物机制,即是为了探究:如何让植物的利用效率达到最高?是不是就此可以减少氮肥的浪费?
除了少数植物可以与固氮菌共生,大部分植物利用氮是透过硝酸盐和铵盐,也就是氮肥主要的两种形式。而铵盐在土壤中大都会被细菌转为硝酸盐,所以硝酸盐就是植物最主要的氮源。
但是硝酸盐带负电,土壤粒子也是带负电,互相排斥,因此硝酸盐在土壤中其实很不好保存,植物来不及吸收时,一下雨就会被冲刷掉。
植物到底如何吸收硝酸盐?蔡宜芳的研究团队发现,关键就在于植物根部的表皮细胞和根毛,其细胞膜上面有一个转运蛋白,称为CHL1。
“细胞膜是超级材质,像一层薄薄的油把细胞包起来,但是细胞又不能太宅,要跟外界做物质交换,所以膜上面有洞,就是蛋白质,”而负责把硝酸盐从细胞外面送到细胞内部的,就是这个CHL1转运蛋白。
蔡宜芳解释,植物对于氮肥有两套吸收系统:低亲和性和高亲和性。当外面硝酸盐浓度高,就启动“低亲和性”系统,大量把硝酸盐吸收进来储存,有需
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