在这样一个灰蒙蒙、细雨绵绵的冬日早晨，远处的加州沿海山脉仿佛悬浮在萨克拉门托谷地一片名为 Russell Ranch 的 300 英亩实验农场的平坦田地上空，如海市蜃楼一般。负责这项研究的研究人员之一是 Martin Burger，一位身材瘦削、眼神坚毅的瑞士生态学家。他从他的福特 F-150 皮卡车里走出来，带我沿着一条碎石小路走向一片种着整齐的淡绿色小黑麦——一种谷物——和豆苗的田地。
地面上的景象看起来井然有序且静止不动。但 Burger 和他在加州大学戴维斯分校的同事们对隐藏在地表之下的情况更感兴趣。那里，景象却是高度动态且难以预测的。为了窥探一二，他们埋设了一系列能够追踪氮元素轨迹的仪器。他们正努力帮助解决这种令人头疼的元素造成的诸多生态和人类健康问题，同时帮助农民更有效地种植作物。
氮有多种形态。它是元素周期表中的一种必需元素。没有它，任何生物，无论是植物还是人类，都无法生存。然而，世界上可获取的氮元素供应却很短缺。事实上，如果几十年前科学家们没有发明出主要基于天然气的合成肥料，来改进大自然“固氮”的方法——即将氮分子分解成可供植物利用的形式——那么你我，以及这个星球上拥挤的 70 亿人口中的大多数，都将不复存在。
但问题来了：化肥公司将大气中天然存在的氮元素转化为构成肥料的铵和硝酸盐化合物。土壤微生物最终会将铵转化为更多的硝酸盐。这种水溶性的氮元素是植物的食物来源，但当过量的硝酸盐渗入湖泊、溪流或地下水时，它就会发生 Jekyll-and-Hyde 式的转变，从有益变为有害。
硝酸盐会从有益变为有害，通过窃取氧气扼杀鱼类及其栖息地，并污染人类饮用水。饮用水中高浓度的硝酸盐暴露与“蓝婴综合征”有关，这种疾病会阻碍血液携带氧气的能力，从而导致死亡。美国环保局还发现饮用水中的硝酸盐与甲状腺癌、呼吸道感染、出生缺陷和早产有关。
更糟糕的是，土壤中一些过量的硝酸盐分子会发生另一种化学变化：微生物会帮助将硝酸盐转化为气态的一氧化二氮，其全球变暖潜势约为二氧化碳的 300 倍。最终，平均而言，作物只能利用农民施加到土壤中的氮元素不到一半。
回到农场
在 Russell Ranch，科学家们正在揭示硝酸盐如何迁移。首先，他们研究包括番茄、小麦和杏仁在内的商业作物如何在不留下过量硝酸盐渗入含水层或流出农田的情况下更有效地利用氮。硝酸盐之所以如此令人头疼，是因为如此多的变量——包括作物类型、土壤特性、田地坡度以及降水量——决定了其逃逸的速度、流量和数量。有时，它需要几十年甚至几个世纪才能从农田移动到用于饮用的远处水井，使得精确找出哪个农田是硝酸盐污染源变得困难。
2011 年秋季，Burger 和加州大学戴维斯分校的水文学家 Jan Hopmans 启动了一项为期三年的实验，比较不同覆盖作物（与番茄等经济作物季节性轮作）在改善土壤质量和减少化肥使用方面的情况。一些覆盖作物，如蚕豆，能够“固定”大气中的氮。它们帮助土壤储存硝酸盐，理论上允许农民在下一季种植的作物中减少氮肥的施用量。其他类型的覆盖作物则能将过量的硝酸盐带到地表，使其远离地下水。
灌溉也是一个问题。当 Burger 和 Hopmans 开始时，他们就知道番茄吸收的氮不多，尤其是在使用沟灌时。沟灌是指水通过沿着每排抬高的畦的沟渠流淌。研究人员推测，不同的、更具针对性的灌溉方法将有助于减少硝酸盐流失并提高植物的利用效率。
在对潜在覆盖作物的好处和灌溉的弊端有了新的认识之后，加州大学戴维斯分校的氮元素侦探们仍然未能精确了解硝酸盐一旦流入土壤并通过各种作物的根区后是如何传播的。
Jay Smith 和 Alison Mackey/DISCOVER
为了回答这个问题，他们从字面上将他们之前的研究推向了新的深度。他们设计的仪器能够比以往更准确、更持续地测量土壤深处更远的硝酸盐浓度和水流。他们的设备分布在 70 英亩土地上散布的六个一英亩地块中。成千上万条数据通过无线方式涌入 Burger 实验室电脑中的中央控制系统。
Burger 打开了立在田边一根柱子上的太阳能金属柜的门。里面是五颜六色的电线缠绕在一起。一些电线连接着作物下方的传感器。“信息太多了，”他开玩笑说，摇了摇头。他会将所有这些数据输入一个计算机模型，该模型可以模拟在各种灌溉和天气条件下的水流和氮传输，以便研究人员能够全面了解地下发生的情况。
土壤湿度传感器会随着时间显示进入地下的水量以及通过排水或植物蒸腾作用离开的地水量。Burger 指着他一个地块里的小黑麦中的一些小红旗。它们标记着称为“溶滤计”的仪器所在的位置，这些仪器是直径约 1 英尺的陶瓷板，埋在地下约 47 英寸的各个深度。它们测量流过的水量。
另一组传感器测量电导率，Burger 表示可以使用电导率作为测量硝酸盐的替代指标。（硝酸盐会增加电导率。）研究人员可以使用稳定的（非放射性）同位素追踪硝酸盐，同位素实际上是不同来源硝酸盐的独特原子签名。
他们通过对埋在土壤不同层位的陶瓷杯施加吸力来采集水样。每个样本都被带到地表，分析其硝酸盐浓度并标记同位素签名。雨季开始时田地上的硝酸盐也被标记。其中大部分是去年化肥使用后残留的。到了春天晚些时候，他们可以测量地表残留的硝酸盐有多少被覆盖作物吸收，有多少进入了每个土壤层。
Burger 凝视着他的地块，向南望去，那里是流入萨克拉门托河并最终流入太平洋的附近溪流。“从标签上，你可以看出硝酸盐的迁移距离，”他说。
播种解决方案
Burger 抚摸着脚边一株纤细的小黑麦，谈论着他实验的初步结果。“我们知道在番茄生长季节，硝酸盐会渗过根区，”他说，尽管施肥和灌溉相结合有助于减少地表径流。让 Burger 感到惊讶的是，小黑麦的根比蚕豆深——深约两英尺。因此，尽管小黑麦不固氮，但它可能在捕获残留硝酸盐方面更胜一筹。
Burger 希望他的研究能够应用于远至切萨皮克湾和密西西比河流域面临类似挑战的农民和科学家，那里存在着巨大的“死亡区域”。根据实验结果，Burger 和 Hopmans 最终能够为灌溉方法、化肥使用和覆盖作物种植提供建议，以帮助遏制硝酸盐污染并提高产量。
同样来自加州大学戴维斯分校的水文学家 Thomas Harter 认为，即使是这些最佳管理实践也只能起到一定作用。他表示，对于许多需要大量氮的作物，如蔬菜、玉米和坚果，“我们今天不知道耕作方式是否能好到产生饮用水质量的补给，”他指的是从农田渗入地下水的水。“但农民可以学会更小心地将硝酸盐控制在他们的系统内，”他说。监管机构也可以介入。他建议加州立法者考虑对农民实施经济处罚和激励措施，例如对氮肥施用征收消费税，对被宣布为硝酸盐污染风险区域的地区征收更高的税率。
近年来，一些种植者已经通过精确农业技术，如滴灌，显著减少了他们使用的水和合成肥料的用量，滴灌减少了总用水量，从而减少了硝酸盐的地表径流。他们在不牺牲利润的情况下实现了这些减排。尽管面临着看似西西弗斯式的挑战，Harter 对未来怀有比恐惧更多的希望。“如果我们能让表现差的一半（的种植者）在五年内达到表现最好的一半的水平，然后在十年内让所有人都能达到最好的水平，那么我们就已经走了很长一段路了，”他说。
回到 Russell Ranch，Burger 不断思考农业实践与远方家庭之间的联系。“如果我们能为更安全的饮用水做出贡献，那就太好了，”他说。
[本文最初以“地下之氮”为题刊载。]
