從挖鳥糞到開工廠!氮肥發現促進綠色革命 科學曾經挽救世界?

自人類發現氮肥效果迄今僅約200年,此後農業生產的量與方法都有了巨大改變。(攝影/農傳媒記者游昇俯)

內容提供/衛城出版 文/查爾斯.曼恩

人類在19世紀發現氮元素對植物生長的效果後,當時最知名的肥料來源是秘魯的鳥糞。由於需求導致鳥糞價格提高和供應減少,注意力逐漸轉向硝酸鈉(NaNO3)。硝酸鈉由一個鈉原子、一個氮原子和三個氧原子構成,彼此結合得不算緊密,可讓植物吸收到氮。

世界上最大的硝酸鹽礦藏位於智利北部的沙漠中。這裡雖然幾乎從不下雨,但經常飄著來自太平洋的毛毛雨。這片毛毛雨非常稀薄,每年不到25公釐,但含有來自洪堡洋流的養分,餵養供鸕鶿食用的秘魯鯷魚。其他養分隨塵土從天上落下和隨地下水湧出。由於幾乎沒有降雨沖去殘餘物,因此沉積物會隨時間逐漸累積,最後形成一片長640公里、寬19公里、厚2.7公尺的天然肥料層。全世界爭相使用這片肥料。智利生產的硝酸鹽成為包裝肥料(當然啦,還有炸彈)的主要成分。加拿大曼尼托巴大學的瓦克拉夫.斯米爾(Vaclav Smil)在他撰寫的氮用途演變史中曾經提到,20世紀開始時,運往美國的硝酸鹽有將近一半用於製造炸藥。

19世紀中葉,秘魯欽查群島附近擠滿運載鳥糞的帆船,可見其需求之大。圖片來源:《倫敦新聞畫報》;Manuel González Olaechea翻攝。CC BY-SA 3.0

1898年,英國化學家威廉.庫魯克斯(William Crookes)提出警告,指出氮即將用盡。庫魯克斯是委託李比希撰寫報告的不列顛科學協會新任主席。他在就任演講中特別強調歐洲日常食用的麵包。他說「全世界的麵包食用者」每年增加600萬以上。為了養活這些新的麵包食用者,農民必須開墾新的土地,或是使用更多肥料,在現有的土地上生產更多穀物。庫魯克斯認為,這兩條路都不可行。適合的土地大多已經開墾,而肥料需求增加將「在數年內」用盡秘魯鳥糞和智利的硝酸鹽。

庫魯克斯預測,1930年代,世界小麥供應「將會嚴重不足,因而造成大蕭條」。庫魯克斯希望科學能拯救麵包食用者。他的願望果然實現了,科學確實挽救了世界——或著說,至少挽救了一陣子。

化學武器之父開創了化肥生產

庫魯克斯公開發表警告後6年,一家奧地利化學公司委託德國化學家弗里茲.哈伯研究化學肥料。更精確地說,這家奧地利公司要哈伯研究的是合成氨。研究人員幾十年來一直相信,只要能製造氨,就能用它製造化學肥料。化學肥料可在工廠中生產,不需要從地面挖出再遠渡重洋。從化學上說來,氨(NH3)相當單純:三個氫原子和一個氮原子,排列成近似金字塔的形狀。氫和氮通常都是氣體形式H2(氫)和N2(氮)。理論上我們應該能把氣態的氮和氫分解成單一的氮原子和氫原子,再把這些原子當成建構單元,結合成的NH3。不過如同植物無法分解N2一樣,人類製造合成氨的努力也失敗了。

實驗室中的哈伯;在發明肥料外,他也是「化學武器之父」,據說他的首任妻子因反對他開發武器而自殺。圖片來源:Bundesarchiv, Bild 183-S13651 / CC-BY-SA 3.0

「失敗」在這裡的意思是「沒有設計出可用的工業方法」,但化學家其實老早就做出合成氨,只不過僅限於在極高的溫度和壓力下,以成本高昂的實驗方法合成罷了。但即使在這些極端條件下,這個化學反應依然需要「催化劑」,也就是促進化學反應進行但本身不變的物質;而催化劑就像恣意穿越馬路的行人,來車閃避不及造成車禍後卻毫髮無傷地離開。但和造成混亂的行人不同的是,催化劑是協助數千種化學反應順利進行的重要物質。

好幾種金屬可當成製造氨的催化劑。在適當條件下,金屬可吸收氫氣和氮氣,分解成獨立的氫原子和氮原子。自由的氮原子能輕易和氫原子結合,形成氨分子。新生成的氫氮鍵結釋出的能量協助氨分子脫離——化學術語是「脫附」(desorb)——金屬表面,進入空氣中,金屬本身則沒有變化。

哈伯自己嘗試過。他和前人一樣,發現讓高溫高壓的氫氣和氮氣通過鐵、錳和鎳等金屬上方可產生可測得的少量氨,比例大約是原始氣體的萬分之一。哈伯讓氫氣和氮氣重複循環,可以非常緩慢地把大部分氮轉換成氨。但如同他向奧地利方面報告的,這個過程太費時費力且不符成本,就像投下數百萬美元建造柳橙汁工廠,但每天卻只能生產一小匙果汁一樣。

「以空氣生產麵包」  從此改變土地、天空和海洋

哈伯決心扳回面子,重新著手研究氨。這次他找到新的門路:全世界規模最大的化學公司巴登苯胺和蘇打水廠(Badische Anilin- und Soda-Fabrik,簡稱BASF)。眼前的基本問題是氫和氮在高溫高壓時合成氨的效率最高,但這些條件提高了合成的成本和難度。BASF協助哈伯打造更好的設備和研究更好的催化劑。1909年7月2日,哈伯終於達成重大突破,他把高溫氣體連續打入設備5小時,「持續產生液態氨」。

哈伯的實驗模型只有75公分高,對商業化生產而言容量太小。他使用的催化劑是和鈾,也不適用於商業化生產,因為鋨的全球年供應量不到113公斤,鈾也相當危險,不僅有放射性,而且很容易與氧和水反應後爆炸。儘管如此,他還是證明大量合成氨是可行的。

BASF 於萊茵河畔的路德維希港附近興建全世界最早的氮肥合成廠,1913年開始運作生產。(圖片來源/BASF – We create [email protected] CC BY-NC-ND 2.0)

BASF指派化學工程師卡爾.博施負責提升哈伯製程的規模及尋找成本合宜的催化劑。博施同樣為固定氮投入多年時間。他得知哈伯已經達成目標時,毫不遲疑地向公司表示應該採用對手的設計。打造製造氨所需的高壓槽十分困難,因為博施失望地發現,氫會滲入槽壁和鋼鐵中的碳結合,降低鋼鐵強度。同時博施成立團隊,測試數千種化合物,尋找更好的催化劑。最後發現最好的催化劑是鐵混合少許鋁、鈣和鎂。最終,BASF第一座氨工廠終於在1913年完工啟用。

5年後(1918年),哈伯以合成氨獲得諾貝爾獎,而博施和主要助手則於1931年以開發「化學高壓法」(chemical high pressure methods)獲得諾貝爾獎。氨合成的成本依然相當高昂,化學肥料無法真正普及,直到1930年代才改觀。儘管如此,這兩座諾貝爾獎仍然實至名歸,哈伯法可說是20世紀最重要的科技發展,也是史上最重要的發現。哈伯法改變了土地和天空,重新塑造海洋,並且大幅改變人類的命運。德國物理學家馬克斯.馮.勞厄(Max von Laue)說得最中肯:哈伯和博施讓人類得以「用空氣生產麵包」。

布勞格和他培育出的抗病小麥;化肥、作物育種等技術成果結合,造就20世紀綠色革命。(圖片來源/Lou [email protected] 翻攝自LIFE Magazine. November 1970 Mexico CC BY-NC 2.0)

全世界的化學肥料現在幾乎全都以哈伯法生產。未來學家拉梅茲.納姆(Ramez Naam)曾經指出,全世界用於生產化學肥料的工業能源略多於1%。值得注意的是,納姆表示:「這1%大約是全世界可種植的糧食的2倍。」1960年到2000年間,化學肥料使用量增加了800%左右,其中約有一半用於種植3種穀物,分別是小麥、稻米和玉米。有些人對這個數字的解讀是認為,這完全是因為布勞格(培育出多種抗病作物的美國生物學家,被稱為綠色革命之父)和助手培育新品種的小麥、稻米和玉米,加上使用哈伯和博施的研究成果所產生的成就。

化肥助養活30億人口  卻成生態隱憂

提升糧食供應量同時造成人口增加。斯米爾計算,哈伯法肥料負責供應「將近全世界人口45%的主要糧食」。大致上,這等於養活大約32.5億人。超過30億男女老幼,以及超乎想像的眾多夢想、恐懼和探索,全都因為20世紀初的兩位德國化學家才得以存在。

人工固定氮影響的深遠程度難以想像。想想看有多少人因而不致餓死,有多少人因而獲得成功的機會,有多少人原本只能希冀溫飽,但因而得以創造傑出的藝術作品和科學研究成果。日本、瑞士和美國伊利諾州的粒子加速器、《百年孤寂》One Hundred Years of Solitude)和《分崩離析》Things Fall Apart)、疫苗、電腦和抗生素、雪梨歌劇院和史蒂芬.霍爾(Steven Holl)的聖伊納爵教堂等等,有多少人直接或間接受益於哈伯和博施?如果沒有巫師的成就養活這些創作者,其中又有多少能夠存在?

但有利就有弊。近60年來使用的肥料中,有40%左右沒有被植物吸收,而是流入河水或化成氮氧化物進入空氣;另外一些流進河流、湖泊和海洋的肥料仍然是肥料,促進海藻、雜草和其他水中生物生長。這些生物死亡之後落到海底,成為微生物的食物。食物供應量增加,使微生物迅速增長。微生物呼吸耗盡淺水的氧,導致大多數生物死亡。有農業逕流的地方,死亡區域特別多。每年夏天,來自美國中西部農場的氮經由密西西比河流進墨西哥灣,於2016年造成面積接近18,000平方公里的缺氧區。第二年,孟加拉灣出現更大的缺氧區,面積高達6萬平方公里。

汽車引擎更是火上加油。汽車燃燒時的副產品把氮氣轉換成各種氮氧化物(化學式是NOx)。氮氧化物進入大氣同溫層,與具有保護作用的臭氧結合。臭氧可阻隔有害的紫外線,保護地球上的生物。臭氧和氮氧化物結合將會失去作用。在地面,NOx也會造成汙染。無用氮的總成本估計每年多達數千億美元。科學作家奧利佛.莫頓(Oliver Morton)指出,如果沒有發生氣候變遷,氮帝國的擴張將成為人類最大的生態隱憂[1]


[1] 令人困惑的是,一氧化二氮(N2O)不屬於氮氧化物(NOx),因為一氧化二氮多了一個氮,所以化學性質和NOx不同,化學家把它歸在另一類。

 

《巫師與先知》
兩種環保科學觀如何拯救我們免於生態浩劫?

 

作者:查爾斯.曼恩

出版:衛城出版

 


本文經農傳媒編輯,節錄自《巫師與先知:兩種環保科學觀如何拯救我們免於生態浩劫?》,完整原文請見原書