农民过度施肥，大量氮肥残留土壤，衍生环境污染问题。
农村有句俗话“庄稼一枝花，全靠肥当家”，氮肥是农业生产上使用量最大的肥料，提高了农作物产量，却也“种出”环境生态污染。
“这就是氮肥的美丽与哀愁。”台湾中央研究院分子生物研究所特聘研究员蔡宜芳缓缓打开话匣子，“有人说，花一块钱买肥料，要花四块钱处理环境问题。”氮肥考验地球承受力，有如稻草般举足轻重。
台湾植物学家入主美国科学院
蔡宜芳是享誉国际的植物学家，甫获选为美国国家科学院院士。（台湾中研究提供）
蔡宜芳是全球第一位科学家找到植物吸收氮肥的关键基因，俐落的短发、小麦色肌肤，大不同于关在实验室的研究员，她埋头耕耘植物研究近30个年头，足迹深入田野。美国国家科学院（National Academy of Sciences）4月26日公布最新入选的院士名单，外籍院士只有两位亚洲科学家，蔡宜芳是其中之一，她也是台湾首位女科学家获选为美国科学院院士。
美国科学院的院士提名和评选采机密制，被提名的科学家并不知情，名单揭晓时正好是台湾的半夜，蔡宜芳隔天打开电脑收信，被告知参加一个欢迎新院士的线上会议，“我是要去庆祝别人当选，还是我被选上？”她脑海冒出疑问，后来再打开当选名单的信件，“我像是看大学榜单一样，找到自己的名字。”她仍然不可置信走出去跟实验室同学说，“我好像获选为美国科学院院士了。”
当年蔡宜芳从美国学成归国，对自己许下承诺“要立足台湾、扬名国际”，她自豪在台湾完成整个研究，发现植物的第一个硝酸盐转运蛋白、植物感应养分多寡的全新机制，更将基础科学研究推向实务应用，改进农作物的氮利用效率，并减缓氮肥对环境的危害。
过度施肥掐死地球命脉
氮肥污染导致中国沿海严重优养化，油绿海藻覆盖海面，农地减肥声浪也不断浮现。
“氮肥问世是绿色革命重要的一环，有了氮肥，农作物增加，而就在绿色革命之后，全球人口也急速增加，充足的食物养活了人类。”蔡宜芳谈起美丽的开端，不过，哀愁紧跟着浮现台面，“氮肥施下后，农作物真正吸收的可能不到一半，甚至三分之一，多余的氮肥在土壤里又留不住，因为氮肥很快会转化成硝酸盐，硝酸盐是负电，土壤粒子也是负电，负负相斥，随着下雨冲刷流入河流，最后进入海洋。”
氮肥污染来势汹汹，蔡宜芳指出，氮肥会造成沿海水域优养化，也就是养分增加、藻类增生，一旦藻类增生，接下来那个区域会逐渐缺氧，鱼虾等海洋生物难以生存，形成“死亡域”（dead zone）。
全球农业每年大约消耗超过1亿吨氮肥，估计只有5000万吨被植物吸收，而1950年以来，全球沿近海的死亡域面积大幅增加了10倍。“这跟氮肥污染息息相关。”蔡宜芳说明，“1950年之后大量使用氮肥，死亡域问题也来愈严重，最早出现在美国西雅图沿岸，不过，随着当地减少氮肥使用，现在死亡域已经消失，目前肥料过量使用最严重的是亚洲。”
中国是全球最大的氮肥消耗国，根据中国国家统计局资料，2010年至2019年，每年平均农业氮肥施用量约为2,280万吨。蔡宜芳分析，中国单位面积的氮肥使用量是美国、日本的3倍，可是产量顶多是一样，甚至只有70%，这意味着氮肥是多施的、浪费了，产量没有增加，反而造成环境问题。
“梦幻的蓝眼泪景象，就是优养化的结果。”蔡宜芳以近年被炒红的旅游奇景为例，从中国福建的平潭海域，到台湾马祖沿海，都出现被称为“蓝眼泪”的涡鞭毛藻大量增生的现象。近年来，中国沿海每年都有藻华大面积爆发，黄海还曾经铺满近3万平方公里的海藻，死亡域危机浮出水面，这些跟氮肥都脱不了关系。
令人哀愁的不只是水域优养化，氮肥也是全球暖化的凶手。蔡宜芳解释，留在土壤的硝酸盐、氮肥，会转换为氧化亚氮（N2O），它是一种温室气体，比二氧化碳（CO2）的效应强300倍。美国国家海洋暨大气管理局（NOAA）的科学家曾在国际期刊《科学》（Science）发表研究报告指出，氧化亚氮已成为新的主要破坏臭氧层物质，而农业是氧化亚氮的重要排放源之一。
二十世纪初，德国科学家哈伯（Fritz Haber）和工程学家博施（Carl Bosch）发明了合成氮肥，以高温高压方式混合氮气和氢气，这就是知名的“哈伯法”（the Haber-Bosch process）。“空气中的氮气键结相当强，这是仿炸弹原理去制造氮肥，消耗的能量相当大。”蔡宜芳进一步说明，“全球能源有2%花在制造氮肥上面。”
破解植物吸收氮肥机制
中国是全球最大的氮肥消耗国，单位面积的氮肥使用量是美国、日本的3倍。（翻摄自Our World in Data）
农民长期施用过量的氮肥，追求高产量，却忽略多施无益和环境成本。蔡宜芳不断钻研植物如何把氮肥从土壤中吸进来，以阿拉伯芥为研究对象，找到植物细胞膜上的硝酸盐转运蛋白CHL1，接二连三破解谜样的分子生物机制，也为农地减肥降污提出重磅的科学基础。
“这些转运蛋白负责把硝酸盐从细胞外部送到内部，也负责侦测土壤里面硝酸盐的多寡，它很聪明会算术，依据硝酸盐浓度高低、做出不同反应，所以植物很精密在调控要吸收多少、要代谢多少。”蔡宜芳说明植物体的运送和传导机制，“它是守门员，同时是搬运工，它也是传令中心。”
“很明显的，它是会饱和的，过度施肥是没有用的，因为植物会把嘴巴关起来，不吃东西了。”蔡宜芳以科普语言归纳研究发现，“我们还找到一个全新的机制，了解植物如何知道养分的多寡，其他的养分的感应也可以透过这个模式，来看看有没有相同的机制。”
农地减肥的大国难题
滥用肥料对大地造成杀伤力，农业政策扮演重要角色。
放眼全球，中国农作物的氮利用效率始终敬陪末座，根据美国马里兰大学助理教授张鑫的研究发现，中国的氮利用率仅有25%，远低于全球平均值42%，而全球氮利用率要从42%提升至70%，中国要回到1960年代初60%的水平，才能确保地球的承受力处于安全范围。
反讽的是，当陆地粮食产能建构在大量化肥的基础上，海洋粮仓的产量反而不断下降。蔡宜芳认为，氮利用效率低不仅是浪费金钱，同时加剧环境风险，这边施、那边流，最终流入大海，等于是为大海施肥，鱼虾生存栖地被破坏，台湾附近海域渔获量愈来愈少，也可能跟氮肥有关连性。
到底氮肥如何在农业和环境取得平衡点？蔡宜芳建议，合理化施肥，少量多餐是最好的作法，很多作物过度施肥还会抑制生长，每个植物有不同的特质，环境、天气等因子也会影响氮利用率，所以要视不同条件来施肥、面面具到才行。
此外，农地减肥的关键也牵涉政策导向，中国对肥料的补贴常为人诟病。蔡宜芳表示，如果肥料价格订得高，没人有愿意过量施肥，可是有些农业政策反而是压低氮肥价格，这就是一个不理想的政策了。
为农业和环境找出双赢解方，国际学者也陆续应用蔡宜芳的研究发现，探究不同作物的硝酸盐转运蛋白和基因组。中国科学院研究员储成才就发现，籼稻的氮利用效率比粳稻好，比较能在贫脊的土壤中生长，后来找出籼稻和粳稻的硝酸盐转运蛋白有一个氨基酸的序列不同，造成两者的氮利用效率有很大的差异。
科学家同步致力提高植物的氮吸收率，蔡宜芳研究团队也投入相关实验，她指出，“植物会把老叶储存的硝酸盐送到年轻的叶片，维持年轻叶片的生长，我们尝试透过遗传工程改造的方式，来强化这种重新分配的机制，增加植物的氮利用效率，实验证明阿拉伯芥可以增加生产20%，水稻约为8、9%。”
“我当初走进植物学研究，这个很科学的决定是一个很浪漫的开头，因为我从小就很爱植物，家人觉得我是怪胎，眼睛里只有植物。”蔡宜芳轻松聊起植物给她的启示，“面对困难，动物第一个想法是逃离困难，跑得快就活下来，可是植物跑不了，任何难题都要面对它、解决它，我就是在探知植物的秘密，知道它到底用什么策略来对抗各种逆境。”
当前滥用肥料引爆环境污染危机，人类或许该向植物学习，勇敢面对问题，扭转地球困境。
