空氣的組成中大部分是氮氣,但談到氮,除了氮氣之外,你還知道什麼?氮是生物體的主要成分,例如胺基酸的主要組成元素就是氮,由胺基酸可以合成蛋白質。另外,舉凡與光合作用有關的葉綠素,與生物活動有關的酵素,以及與遺傳有關的核酸等,都與氮有密不可分的關係。

空氣及土壤中的氮

生物的生存少不了空氣,而空氣的組成中約有百分之七十九是氮氣,其次才是氧氣。陸地中的氮含量遠低於空氣,而且多貯存在土壤中。以1公頃(1萬平方公尺)的土地來說,土地上方空氣中的氮約有7萬5千公噸,但土壤中的氮含量約7公噸,僅是空氣中的萬分之一。

土壤中部分的氮可以直接被植物的根部吸收,進而利用。至於空氣中的氮,除非是透過特定微生物的「固氮作用」,否則無法直接被植物利用。

除了豆科以外,並非所有植物都可以固定空氣中的氮氣。因此很多農民在水稻收割後,會繼續在農田中種植豆科植物,利用豆科植物吸收空氣中的氮氣,再將其翻入土壤中。如此一來,空氣中的氮便可進到土壤中,下次再種植水稻時,就能減少氮肥的使用量了。

氮與植物

人類需要吃不同種類的食物來維持營養均衡,植物的生長也需要攝取不同的養分,做為生長及發育所需,這些養分包含氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯、鎳等。其中,氮、磷及鉀是農民施肥管理上最重要的元素,對植物的生長及發育的影響也最大,被稱為肥料三要素。

氮是植物組成的重要元素,例如胺基酸的主要組成元素就是氮,由胺基酸可以合成蛋白質。另外,舉凡與光合作用有關的葉綠素,與生物活動有關的酵素,以及與遺傳有關的核酸等,都與氮有密不可分的關係。健康植物的葉片中通常含有百分之二到四的氮,氮可以讓榖類作物的穀粒飽滿,也可以使萵苣或蘿蔔鮮美多汁。對於蔬菜,氮肥的施用尤其重要,因為氮會使葉片又大又綠。

氮在農業上的使用

氮肥對於葉菜類作物的生長非常重要,許多農民為了增加作物的產量,施用了過多含氮的肥料,導致很多作物生產區的土壤中含有過多的氮。作物的產量與肥料使用量兩者間有非常密切的關係,通常肥料使用量越高,作物的產量就越高,販售作物所得的收入也就越好,當然肥料的成本也會隨著變高。

值得注意的是,作物的產量並不會因為施肥而無止盡地增加,過多的肥料甚至會造成作物生長的毒害。當作物的產量到達最高點後,如繼續增加肥料的施用,則會因為毒害而使產量下降,可見最大施用量並不等於最高獲利。農民若要獲得較高的利潤,就必須仔細考慮肥料的使用量,否則會造成肥料資源無謂的浪費。

除了利潤的考量之外,研究也發現由於氮會在環境中轉變及移動,若使用過多氮肥,則可能對生態、環境及人體健康產生負面的影響。

氮在土壤中的轉變

土壤中的氮有超過百分之九十五是與碳結合在一起的,稱為有機態氮。多數植物無法直接吸收有機態氮,必須先把它轉變成銨態氮或硝酸態氮等無機態氮,才能被植物吸收利用。這兩種型態的氮也是農民最常使用的氮肥,經植物吸收後的氮又會轉變成有機態氮。

銨態氮帶正電,硝酸態氮帶負電,由於土壤帶負電的關係,會吸附帶正電的銨態氮,因此被土壤吸附的銨態氮不容易移動。但土壤並不會吸附帶負電的硝酸態氮,造成硝酸態氮比銨態氮容易移動,且在有氧氣的環境中,銨態氮會經由微生物的作用轉變成硝酸態氮。因此無論農民使用的氮肥種類為何,施用於通氣良好的旱田之中時,多數的銨態氮會轉變成硝酸態氮。硝酸態氮也是除了有機態氮之外,土壤中氮的主要型態。

在缺乏氧氣的環境中,硝酸態氮會轉變成氣體型態,這些氣體包含一氧化氮、氧化亞氮、氮氣等。這些含氮的氣體除了氮氣以外,都會對環境造成不良的影響。

氮的損失

經由土壤中氮的轉變過程可以知道,如果農民施用的含氮肥料沒有全部被作物吸收,過多的氮就容易變成硝酸態氮往土壤下層移動,甚至進入地下水中,或變成含氮的氣體進入空氣中。

無論是何種轉變過程,對農民而言,這些沒有直接被作物吸收的氮就是資源的浪費,因而增加了生產成本。但除了經濟上的考量外,現階段大家更關心的是氮對生態、環境及人體健康的影響。

硝酸態氮對空氣的影響

當土壤中的硝酸態氮轉變成氣體型態後,一氧化氮及氧化亞氮會與水反應形成硝酸,隨著降雨回到陸地便形成酸雨,使湖泊及河流的酸鹼值下降,嚴重的話會導致魚、蝦及貝類死亡。酸雨也會破壞建築物,甚至導致橋梁斷裂等問題。一氧化氮及氧化亞氮更可能與地表上的其他物質反應形成臭氧汙染物,危害人體健康。

另一方面,溫室效應也是目前大家關心的環境議題。由於溫室氣體會吸收長波輻射導致溫室效應,因此各國都致力推動節能減碳,呼籲多種植樹木以減少空氣中二氧化碳的濃度。但或許大家不知道,氧化亞氮吸收長波輻射的能力是二氧化碳的300倍,會使溫室效應更形惡化。

一氧化氮會破壞大氣中的臭氧層,臭氧層破洞使動物照射紫外線的機會增加,提高罹患白內障及皮膚癌的機率。

硝酸態氮對健康的衝擊

在山坡地或降雨較多的地區,由於坡度較陡使降雨容易流失,地表的逕流量也較大,土壤中多餘的硝酸態氮可能隨著逕流往湖泊或河流移動。硝酸態氮是植物生長必需的養分,當大量的硝酸態氮進入湖泊或河流中時,會造成藻類大量繁殖,使水中的氧氣含量降低,嚴重時甚至導致魚蝦等水生生物死亡。

在水庫或湖泊的上游地區,農民常會開墾山坡地種植蔬菜或果樹。如果氮肥的使用管理不當,過多的氮會進入這些水體中,並經由直接飲用進入人體。

使用過多的氮肥會使硝酸態氮往土壤下層移動,最後導致地下水中的硝酸鹽含量增加。許多農業種植區都出現地下水中硝酸態氮濃度過高的問題,生長在土壤中的作物體內也會累積過多的硝酸態氮。砂質地的土壤由於水分容易往下移動,更須注意氮肥的使用,以避免硝酸態氮進入地下水中。

實驗室中常以管柱實驗探討硝酸態氮在土壤中的垂直移動。首先把土壤裝填在管柱中,在土壤表層加入不同型態或不同量的氮肥,並由管柱上方定期加水模擬降雨。經過適當時間之後,進行不同深度土壤的採樣與分析,以了解硝酸態氮在管柱中的移動深度,藉以評估在特定環境與氣候條件下,氮肥施用型態或施用量的合理性。

由於人體攝取過多的硝酸態氮會造成健康上的危害,世界各國對於飲用水中的硝酸態氮含量都有規範,部分國家甚至考量到作物中的硝酸態氮含量。

人體如果直接飲用或食用含硝酸態氮過高的水或作物,所攝取的硝酸態氮會轉變成亞硝酸態氮,後者會降低血液中血紅素攜帶氧氣的能力。氧氣含量若降低會使血液顏色偏藍,尤其對年齡在3個月以下的嬰兒影響更明顯,因此也稱作「藍嬰兒症候群」。除此之外,攝取過量硝酸態氮在體內會形成高毒性的亞硝胺,可能導致許多癌症的發生。

蔬菜中的硝酸態氮

硝酸態氮大多累積在作物的葉片中,較少累積於花或果實內,因此葉菜類蔬菜的硝酸態氮含量特別受到重視。除了含氮肥料的使用量會影響作物中的硝酸態氮含量外,由於作物中硝酸態氮的轉變與光合作用有關,因此光的強度及採收的時間也會對累積的硝酸態氮濃度造成影響。

在清晨太陽未出來之前所採收的蔬菜,由於尚未進行光合作用,因此蔬菜中硝酸態氮含量較高。中午過後由於蔬菜已進行了一段時間的光合作用,累積的硝酸態氮已轉變,所採收的蔬菜硝酸態氮含量會較低。

種植在溫室設施中的蔬菜由於照光的強度低於露天栽培者,因此前者所生產的蔬菜中,硝酸態氮含量會高於後者。此外,水耕栽培法由於蔬菜較容易攝取水溶液中的氮,所累積的硝酸態氮含量也會高於種植於土壤中的。民眾若能正確掌握這些原則,可以避免因攝取過多蔬菜中的硝酸態氮而危及健康。

蔬菜的硝酸鹽含量

人體每天攝取的硝酸態氮約有百分之九十來自蔬菜,因此若能控制蔬菜中的硝酸鹽含量,將可有效降低人體的攝取,減少罹患癌症的風險。要了解蔬菜中硝酸態氮的含量,可經由離子層析、蒸餾或比色等方式分析,但是離子層析及蒸餾都需要精密的儀器設備,所需配製的藥品較多,操作步驟也比較繁瑣。

較為簡單的方式就是利用硝酸鹽試紙。方法是採集蔬菜可以食用的部位,置入果菜汁機中並加入適當體積的水,攪拌打成汁液後,放入試紙呈色,並以肉眼作顏色的比對,判定硝酸態氮的含量。或是把試紙放入儀器中,以檢測硝酸鹽的含量。

由於每個人對顏色的敏感度不同,利用肉眼判讀出的數值可能因人而異。以儀器判讀雖可增加準確性,但對於多數家庭而言,要花錢購買儀器並不容易也不易推廣。至於利用試紙先檢測再食用,似乎又太大費周章。因此建議在挑選蔬菜時可掌握上述的幾個原則,例如購買照光之後所採收的蔬菜,則所攝取的硝酸鹽應會較少。

氮與永續環境

氮肥是農業上常使用的肥料,但很多人並不知道,施用過量的氮肥竟然會對人體及環境造成這麼多的危害。

我們只有一個地球,雖然對酸雨或溫室效應來說,農業上的氮肥所造成的負面效應並非最大,但是了解氮的影響層面之後,更應透過合理的肥料施用,以減緩或改變目前環境上所遭遇的問題,未來環境才有永續發展的可能。

賴鴻裕.陳柏青 明道大學精緻農業學系
   劉程煒 明道大學生物科技學系

 

相關附件:《科學發展》2011年11月,467期,40 ~ 45頁
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