本文選自中國工程院院刊《Engineering》2016年第1期
作者：Robert Socolow
來源：Fitting on the Earth: Challenges of Carbon and Nitrogen Cycle to Preserve the Habitability of the Planet[J].Engineering,2016,2(1):21-22.
編者按
碳迴圈和氮迴圈是地球生物圈物質迴圈的重要內容。長期以來，人類自身活動的累積效應帶來了全球碳迴圈和氮迴圈的破壞，影響著地球的可持續性發展，值得我們加以關注和重視。
中國工程院院刊《Engineering》2016年第1期發表了美國普林斯頓大學Robert Socolow教授《與地球同步：碳氮迴圈在保護地球宜居性中面臨的挑戰》一文。文章指出，碳迴圈和氮迴圈的協同管理是可行的，工程技術能為遭到破壞的生態系統提供補救措施，而且已經取得了區域性成功。為保護碳迴圈和氮迴圈，除應用碳、氮的工業處理技術以及工程方法外，還要重視“技術跨越”帶來的契機以及消除貧困等社會問題。
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如今，我們居住的地球很容易受到人類自身常規活動的累積效應的影響。其中，有兩個影響著地球可持續性的問題值得我們關注，它們分別是全球碳迴圈和全球氮迴圈。
人類採集煤和石油，並將使用後的廢氣排入大氣，透過這種碳排放的方式破壞了碳迴圈。受人類活動的影響，大氣中二氧化碳(CO2)濃度平均每年增長0.5%，在過去的250年總計增長超過30%，其中三分之二的增長髮生在過去的50年。化石燃料佔世界能源系統的85%，是影響天然碳迴圈的主要因素。高濃度CO2對碳迴圈體系的破壞已經造成許多問題，包括大範圍的全球變暖、海平面上升、對人類健康的嚴重威脅、引發更頻繁的極端天氣和生態系統的破壞等。除非作出改變，否則全球的CO2濃度將進一步提高。因此，我們必須重新設計能源系統，以減少對化石燃料的依賴和降低對碳迴圈的危害。
除了碳迴圈，氮迴圈是地球上生命的另一個基本特徵。氮迴圈也遭到了人類的破壞。地球上生物的生存需要依靠氮元素，但是大氣中的氮元素必須經過改性才能供生物利用。生命所需的氮產生於“固氮細菌”，只有少數細菌可以作為“固氮細菌”，它們能夠破壞大氣中氮氣的氮氮三鍵(N2或N≡N)，併產生“可用的”氮。自然界中的一種固氮反應是伴隨著閃電而發生的。在過去的幾百年中，人類已經運用哈柏法實現了從大氣中提取有效氮的工業化。氮肥作為全球最重要的產品，能夠大大提高世界的糧食供應量。現在，整個世界對人工固氮越來越依賴，與利用天然細菌固氮相比，化肥廠合成氨技術的固氮能力更強。
另一種新的固氮方法來自化石燃料的燃燒，其產生的是氮氧化物(即NOx，它包含NO、NO2和N2O5等)。儘管有很多技術能夠減少NOx的排放量，但由於人口增長和人均化石燃料使用量的增加，在過去的數十年間，NOx的排放量依舊顯著增加。
如今，這些額外的固氮反應嚴重影響了許多環境系統，如改變了物種平衡，促進了水系統中不必要的生物生長(富營養化)，增加了大氣中一氧化二氮(N2O，一種溫室氣體)的排放量。因此，國際社會對氮迴圈的關注逐漸增加，並聚焦於人類改變氮迴圈的複雜性。
碳迴圈和氮迴圈的協同管理是可行的，工程技術能為遭到破壞的生態系統提供補救措施，而且已經取得了區域性成功。
我們有很多理由樂觀地相信，未來還有很多目標可以實現。全球的碳氮利用效率依舊較低，尤其在能源系統、食品系統和農業系統中還有很大的提升空間。“智慧”是一個用於描述工程師所做貢獻的關鍵詞，如智慧的建築、家電、基礎設施、車輛和食品系統，而做這一切的核心目標就是為了取得更高的效率。我們可以採用碳價格和氮價格來提升兩種物質的利用效率。此外，特別是在發展中國家，我們還需要建設大量的全球性基礎設施(表1)。最重要的是，年輕的科學家和工程師們認為現在碳氮管理所面臨的各種挑戰都令人興奮。
表1 碳和氮的對比
在燃煤電廠捕獲CO2，然後將其壓縮並送入地下多孔岩石深處，這是目前保護碳迴圈的主要工程方法。總有一天，燃煤電廠的煤燃燒將不再是CO2排放的主要來源。美國現存的CO2管道網路顯示，建設低碳未來的線路圖是有望實現的。這些管道有助於透過“提高原油採收率”來增加油田的附加油量。然而，許多相關技術仍處於試驗階段，具有很大的不確定性。
工程解決辦法也能減少氮排放，並可以在稍作變化後在全球推廣使用。“技術跨越”是減少二氧化碳排放量和氮排放量的一個巨大契機，透過採用先進的技術，如電力驅動汽車和零排放的分散式電源，可有效減少碳氮的排放量。今後，必須更加努力地提升食品製造業和運輸系統的氮效率。總之，降低對環境的有害影響是一個最佳化的氮元素整合管理體系對整個社會的最大的益處。
除了碳和氮的工業處理技術，我們還必須解決許多社會問題。其中，貧困作為一個巨大的挑戰，能夠透過發達國家和發展中國家之間的合作解決。過去是發達國家發揮主導作用，但現在發展中國家，如中國，也有望參與到探索解決方案中。新的解決方案使得我們不再需要依賴於原先的方法。這有可能是第一次依靠新技術和新的國際夥伴關係而實現的跨越。每個人都可以參與這個可持續性的合作：環保主義者、科技工作者、經濟學家、各地公民和世界各地的政府將攜手提高全球碳迴圈和氮迴圈的管理水平。此外，在不久的將來，可持續性合作將要尋找方法以應對我們留在地下的“不可燃”化石燃料，這個新難題將很快佔據研究的中心地位。
可是，每一種解決方案都有它的不足，因此我們所使用的每一種解決方案都有可能帶來其他新的、嚴重的問題。為此，我們需要進行風險管理，主要從氣候變化和防治角度考慮新技術的破壞風險。最終，為了更好地實現碳氮管理，年輕一代需要學習相關的科學知識，並努力成為這個環境和工程交織的關鍵新領域的主力軍。
注：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
改編原文：
Robert Socolow.Fitting on the Earth: Challenges of Carbon and Nitrogen Cycle to Preserve the Habitability of the Planet[J].Engineering,2016,2(1):21-22.
注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。
