與地球同步：碳氮循環(huán)在保護(hù)地球宜居性中面臨的挑戰(zhàn)

Robert Socolow

Professor, Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University

與地球同步：碳氮循環(huán)在保護(hù)地球宜居性中面臨的挑戰(zhàn)

Robert Socolow

Professor, Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University

如今，我們居住的地球很容易受到人類自身常規(guī)活動(dòng)的累積效應(yīng)的影響。其中，有兩個(gè)影響著地球可持續(xù)性的問題值得我們關(guān)注，它們分別是全球碳循環(huán)和全球氮循環(huán)。

人類采集煤和石油，并將使用后的廢氣排入大氣，通過這種碳排放的方式破壞 了碳循環(huán)。受人類活動(dòng)的影響，大氣中二氧化碳(CO2)濃度平均每年增長(zhǎng)0.5 %，在過去的250年總計(jì)增長(zhǎng)超過30 %，其中三分之二的增長(zhǎng)發(fā)生在過去的50年。化石燃料占世界能源系統(tǒng)的85 %，是影響天然碳循環(huán)的主要因素。高濃度CO2對(duì)碳循環(huán)體系的破壞已經(jīng)造成許多問題，包括大范圍的全球變暖、海平面上升、對(duì)人類健康的嚴(yán)重威脅、引發(fā)更頻繁的極端天氣和生態(tài)系統(tǒng)的破壞等。除非作出改變，否則全球的CO2濃度將進(jìn)一步提高。因此，我們必須重新設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)，以減少對(duì)化石燃料的依賴和降低對(duì)碳循環(huán)的危害。

除了碳循環(huán)，氮循環(huán)是地球上生命的另一個(gè)基本特征。氮循環(huán)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(jīng)過改性才能供生物利用。生命所需的氮產(chǎn)生于“固氮細(xì)菌”，只有少數(shù)細(xì)菌可以作為“固氮細(xì)菌”，它們能夠破壞大氣中氮?dú)獾牡I(N2或N≡N)，并產(chǎn)生“可用的”氮。自然界中另一種固氮反應(yīng)是伴隨著閃電而發(fā)生的。在過去的幾百年中，人類已經(jīng)運(yùn)用哈柏法實(shí)現(xiàn)了從大氣中提取有效氮的工業(yè)化。氮肥作為全球最重要的產(chǎn)品，能夠大大提高世界的糧食供應(yīng)量?，F(xiàn)在，整個(gè)世界對(duì)人工固氮越來越依賴，與利用天然細(xì)菌固氮相比，化肥廠合成氨技術(shù)的固氮能力更強(qiáng)。

另一種新的固氮方法來自化石燃料的燃燒，其產(chǎn)生的是氮氧化物(即NOx，它包含NO，NO2和N2O5等)。盡管有很多技術(shù)能夠減少NOx的排放量，但由于人口增長(zhǎng)和人均化石燃料使用量的增加，在過去的數(shù)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(yīng)嚴(yán)重影響了許多環(huán)境系統(tǒng)，如改變了物種平衡，促進(jìn)了水系統(tǒng)中不必要的生物生長(zhǎng)(富營(yíng)養(yǎng)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(guó)際社會(huì)對(duì)氮循環(huán)的關(guān)注逐漸增加，并聚焦于人類改變氮循環(huán)的復(fù)雜性。

碳循環(huán)和氮循環(huán)的協(xié)同管理是可行的，工程技術(shù)能為遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)提供補(bǔ)救措施，而且已經(jīng)取得了局部成功。

我們有很多理由樂觀地相信，未來還有很多目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。全球的碳氮利用效率依舊較低，尤其在能源系統(tǒng)、食品系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中還有很大的提升空間?！爸悄堋笔且粋€(gè)用于描述工程師所做貢獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，如智能的建筑、家電、基礎(chǔ)設(shè)施、車輛和食品系統(tǒng)，而做這一切的核心目標(biāo)就是為了取得更高的效率。我們可以采用碳價(jià)格和氮價(jià)格來提升兩種物質(zhì)的利用效率。此外，特別是在發(fā)展中國(guó)家，我們還需要建設(shè)大量的全球性基礎(chǔ)設(shè)施(表1)。最重要的是，年輕的科學(xué)家和工程師們認(rèn)為現(xiàn)在碳氮管理所面臨的各種挑戰(zhàn)都令人興奮。

在燃煤電廠捕獲CO2，然后將其壓縮并送入地下多孔巖石深處，這是目前保護(hù)碳循環(huán)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(guó)現(xiàn)存的CO2管道網(wǎng)絡(luò)顯示，建設(shè)低碳未來的線路圖是有望實(shí)現(xiàn)的。這些管道有助于通過“提高原油采收率”來增加油田的附加油量。然而，許多相關(guān)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，具有很大的不確定性。

表1 碳和氮的對(duì)比

工程解決辦法也能減少氮排放，并可以在稍作變化后在全球推廣使用?！凹夹g(shù)跨越”是減少二氧化碳排放量和氮排放量的一個(gè)巨大契機(jī)，通過采用先進(jìn)的技術(shù)，如電力驅(qū)動(dòng)汽車和零排放的分布式電源，可有效減少碳氮的排放量。今后，必須更加努力地提升食品制造業(yè)和運(yùn)輸系統(tǒng)的氮效率?？傊档蛯?duì)環(huán)境的有害影響是一個(gè)優(yōu)化的氮元素集成管理體系對(duì)整個(gè)社會(huì)的最大的益處。

除了碳和氮的工業(yè)處理技術(shù)，我們還必須解決許多社會(huì)問題。其中，貧困作為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，能夠通過發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家之間的合作解決。過去是發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)揮主導(dǎo)作用，但現(xiàn)在發(fā)展中國(guó)家，如中國(guó)，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于原先的方法。這有可能是第一次依靠新技術(shù)和新的國(guó)際伙伴關(guān)系而實(shí)現(xiàn)的跨越。每個(gè)人都可以參與這個(gè)可持續(xù)性的合作：環(huán)保主義者、科技工作者、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、各地公民和世界各地的政府將攜手提高全球碳循環(huán)和氮循環(huán)的管理水平。此外，在不久的將來，可持續(xù)性合作將要尋找方法以應(yīng)對(duì)我們留在地下的“不可燃”化石燃料，這個(gè)新難題將很快占據(jù)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(yán)重的問題。為此，我們需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，主要從氣候變化和防治角度考慮新技術(shù)的破壞風(fēng)險(xiǎn)。最終，為了更好地實(shí)現(xiàn)碳氮管理，年輕一代需要學(xué)習(xí)相關(guān)的科學(xué)知識(shí)，并努力成為這個(gè)環(huán)境和工程交織的關(guān)鍵新領(lǐng)域的主力軍。

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英 文原文: Engineering 2016, 2(1): 21—22

Robert Socolow.Fitting on the Earth: Challenges of Carbon and Nitrogen Cycle to Preserve the Habitability of the Planet.En gineering,

http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.012