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高产作物的化学节选

2019年03月25日 栏目:故事

灌溉不仅仅是把水撒到田里——它也是人与植物间一种微妙的化学交流Judith D. Schwartz 2016年7月30日Credit

灌溉不仅仅是把水撒到田里——它也是人与植物间一种微妙的化学交流

Judith D. Schwartz 2016年7月30日

Credit: Courtesy St. Martin s Press. Copyright 2016.

经圣马丁出版(St. Martin s Press)社允许,节选自Judith D. Schwartz所著《显而易见的水资源:饥渴世界的希望》(Water in Plain Sight: Hope For A Thirsty World )2016版。

当我们谈到灌溉时,水便不仅仅是水那么简单了。

John Kempf 是一个俄亥俄州的农场主,他以改善作物健康和农业产量为事业,这句话是他的信条。2006年,Kempf建立了先进生态农业(Advancing Eco Agriculture),这是一个为农户提供咨询服务的公司,其业务涵盖作物样品检测与分析以及推荐不同的植物营养供给方案来提高作物产量。

不同来源灌溉水——井水、河水或者水库水——有着各不相同的矿物盐含量。水中盐含量的多少用“硬度”来衡量,常用每加仑水含有多少格令(1格令=64.8毫克)盐来表示。(“盐”在本文中不是指平时洒在炒鸡蛋上的食盐,而是带正电荷的元素 [阳离子] 与带负电元素 [阴离子] 的结合体。)(Kempf说,虽然在关于农业的讨论中鲜有人承认水质的影响,但是质量差的水,特别是碳酸钙(石灰)含量较高的水,的确影响产量,用这种水灌溉还会导致用水量增加。)

“矿物质的含量不仅影响植物吸收水的能力,也影响着它们吸收营养物质的方式。”Kempf说。“硬水要求更多的能量,也即需要更多的营养来分解。当水质很差的时候,我们需要更多的水。”农场会定期检测水质,Kempf表示,当一个潜在客户的水源盐含量大于5格令每加仑,他会建议将水进行处理。

“当农场用低质量的水来灌溉,会导致多种后果,”他提到。“水质差会阻碍施用肥料中的营养物质被利用,并且会严重抑制土壤生态。经常出现的一种情况是土层中碳酸氢钠和碳酸氢钙的积累。这导致了盐碱化。”

硬水通过结合营养物质并且抑制土壤中的生物过程,使植物处于亚健康状态。这导致作物的抗逆性变差,并且会降低植株的储水效率,而好的储水能力是植物活力充沛的特征。此外,人们可能需要更多的水来“纠正”由于使用了劣质水而出现的问题。例如,盐碱化的一般处理方式就是用大量的水冲刷这片土地。这就是为什么盐碱化问题倾向于在较干旱地区出现的原因,像澳大利亚以及加拿大和美国的北部大平原地图。比如说在佛蒙特(Vermont),大量的雨水很简单地就将过量的盐分冲刷掉了。然而,Kempf在阐述这些情况的地方性时,并不仅仅是在说像加利福尼亚州(California)这些地方。他提到:“俄亥俄州(Ohio),宾夕法尼亚州(Pennsylvania)以及整个中西部地区都有这一问题,但是没人谈起这些。”

当每个生长季结束的时候,先进生态农业公司的小组会收集数据进行汇报。“我们坐成一圈并且对我们所有客户的情况进行讨论,”Kempf说。“谁的结果是符合我们预期的?谁的结果不令人满意?农户可能会欣喜若狂,可能因为他们有20~30%的增产。但是我们可能经常会发现仍然存在许多问题,还有许多改进的机会。”

“在2014年秋的讨论中,我们发现以我们的标准来看收成不好的农户都有一个共同的特点。他们都使用水质较差的水,特别是当使用劣质水进行叶片喷洒时这一问题显得更为明显。每当农户将硬水接入灌溉设备,特别是含有碳酸氢盐的水,我会说这肯定不会100%有效。”于是我们决定不为这样的客户服务,除非他们将水质问题解决,如果水质问题不解决我们就不卖给这样的客户产品,因为我们知道,这一项目不会如愿达到效果,而客户会将其怪罪到我们头上。

公司将叶片喷洒的水质标准设定在5格令硬度每加仑,而用于灌溉的则设为10。“这个国家85%的田地用水都超过了5格令每加仑,”Kempf谈到。“我们没有听过中西部有这种现象,因为雨水将土地中的毒素都冲走了。如果我们没有足够的雨水,我们可能也会有跟加州同样的问题,只不过程度可能轻点儿。”

如果我们要完全地解释水质问题,我们就不得不谈到氮。Christine Jones是一位土壤生态学家,她组织过关于改善地形健康和提高农业产量的知名会议和专题讨论会,据她所说全球的农户每年要在田地和草场中使用超过1000亿美元的氮肥。而植物吸收的连这些的一半都不到。剩下的氮肥,大约在60~90%之间,“要么渗进了水体,要么蒸发到大气中或者停留在土壤里。”这些过量的氮毫无疑问会造成麻烦。在对大气的影响方面,肥料的用量增加会导致一氧化二氮的释放,这是一种比CO2强300倍的温室气体。至于水体,美国农业部(USDA)经济研究服务部(Economic Research Service)评估从市政供水中将硝酸盐除掉将每年要花掉美国超过48亿美元。 而我们也可以将藻类爆发和墨西哥湾约6000平方英里的死亡区“归功”于氮肥(和磷肥)过量使用和管控不力。因为氮肥相对来说比较便宜,农户觉得多多益善。联合国粮食和农业组织表示,世界上的氮肥使用仍然会增加,在2018年将会超过2亿公吨(2.2亿吨)。

Jones说大范围使用氮肥的生态后果远远不止污染。无机氮转变了土壤生态系统导致了更大量的用水。就这一问题,我所听到她在新墨西哥城,阿尔布开克(New Mexico,Albuquerque)的基维拉会议(Quivira conference)中是这样表述的“为了追求产量,我们打破了碳,氮和水之间的关系。”

如果说灌溉是关于耕种的故事,那么氮则是绿色革命(green revolution)的驱动力。所有的活物都需要氮;含氮化合物,像氨基酸,是合成蛋白质的关键物质。正巧的是,环境中有许多氮元素,大气中78%的物质由氮元素组成。然而,N2气体十分稳定,且不能被植物利用。这些氮需要被“固定”——它的化学键被切断——这一过程需要通过闪电或者土壤中的固氮菌或者豆科植物的根瘤来完成。可用的氮元素也存在于植物和动物的尸体或者排泄物中,虽然释放得比较缓慢。在系统中保持足够的氮元素已经日益成为了农户们的一项挑战。以前,许多农户依赖于粪肥,堆肥,作物轮作或者覆盖作物,特别是使用豆科植物,例如豌豆和三叶草来达到这一目的。

所有这一切在1909年哈柏法(Haber-Bosch process)问世之后彻底改变了,一种能量密集并且高热的合成方法,能将氮气转化为能被植物吸收的氮的形式,也就是从稀薄的空气中创造肥料。制造氮肥带来了作物增产,工业规模的农业操作,以及各种高产植物——这些都是绿色革命的主要成果。绿色革命起始于1940年,它催生和推动了世界人口的大规模增长。(哈柏法也促催生了战争工业,因为它对于大量生产炸药也是不可或缺的,这包括芥子气(mustard gas),消化甘油(nitroglycerin)以及TNT。)

琼强调有机氮和无机氮的区别,有机氮是自然界中常见的形式,合成肥料中则是无机氮。她说,你能通过植物的叶片来知晓氮元素是否充足,当植物缺乏氮元素时其叶片会变黄。作为一个业余园丁,我知道这一点,因为我有时会看到我的西红柿,尤其是下部叶变成黄色。但是现在,如果初夏我在后院的露台环顾四周,目之所及是各种各样的乔木、灌木和四处蔓延的猕猴桃藤,无论如何都看不见一丁点儿的黄色。但不知这些我房子周围的植物是如何获取他们日常所需的氮元素的。闪电并不会均匀地施放氮肥,而草地中的四叶草的旁边,有一些豆类植物。所以这应该与固氮菌有些许关系。

“我从未见到在自然界的生态系统中有缺氮的植物,”琼说。“显然我们在农业生产的过程中的某些行为干扰了生物固氮。”抑制自然固氮的行为包括持续弃用休耕地,不适当的放牧,施用杀真菌剂和杀虫剂,以及频繁地使用氮肥。她将氮肥称为一把“双刃剑,”因为加了氮肥之后有明显的结果而同时损坏了植物所依赖的那一套系统。她说,农田逐渐依赖合成氮来补偿损伤的土壤;农田需要“戒掉”它,就像戒掉毒品一样。

将固定好的氮元素以化合物的形式,比如氨基酸,转移到植物中需要通过菌根真菌的菌丝。这种真菌自己不固氮。然而菌根真菌却常常作为交换络(包括含氮化合物的交换)的“中间人”。在一个有活力的土壤系统中,植物通过它们的根释放碳分泌物。这些糖用来与微生物及真菌交换植物所需的矿物元素,包括氮,这种交换通常是通过菌根真菌完成的。

如果我们进一步观察细胞水平,我们会看到氮和碳是紧密相连的:叶绿素,光合作用发生的场所,

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是一种由蛋白质组成的复合物,这意味着它必须含有氮。因此,光合作用在没有氮的情况下是不能进行的。同时,植物如果没有含碳化合物则不能通过交换获得氮元素。

通过直接给予植物氮元素而不要求它们使用含碳化合物进行交换,我们打破了这一安排。“当作物或者牧草长势不好,我们倾向于想在土里加些什么来修复它,加入的往往是氮素。使用无机氮的同时,我们让这一途径变短了,”琼说。“植物不需要为微生物提供含碳化合物用来交换氮,因此植物也不能获得微生物提供的其他营养物质。”

当不需要用碳来进行交换时,植物就变得“懒散”了。“使用合成氮,造成了土壤中的碳的流失,”琼谈到。“于是土地不再拥有结构,储水能力也会下降。并且因为植物得不到痕量的元素,免疫力也随之降低。这使得他们容易被害虫和病害侵扰,而农户们不得不使用昂贵的杀虫剂。这又食物链遭到破坏。而且,我们需要使用更多的水,因为土壤已经不能留住它了。”她强调植物可能只是看起来很好——当然不会变黄,因为氮含量很充足——但是支持他们生存的构架正在崩塌。

琼强烈要求我们不要低估这些不可见的联系,她将这些统称为“微生物桥”,“我们必须要记得,植物不能移动,但是他们可以发出信号。矿物元素不仅仅在土壤中流动,他们也有的处于结合状态。植物需要细菌和真菌的酶来释放他们。植物提供生物化学能量,也就是燃料,让这些生态系统持续下去。”植物也正是通过这种方式来构建土壤的。

翻译:王晶璇

校审:冯薇

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