農民過度施肥，大量氮肥殘留土壤，衍生環境污染問題。
農村有句俗話「莊稼一枝花，全靠肥當家」，氮肥是農業生產上使用量最大的肥料，提高了農作物產量，卻也「種出」環境生態污染。
「這就是氮肥的美麗與哀愁。」台灣中央研究院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳緩緩打開話匣子，「有人說，花一塊錢買肥料，要花四塊錢處理環境問題。」氮肥考驗地球承受力，有如稻草般舉足輕重。
台灣植物學家入主美國科學院
蔡宜芳是享譽國際的植物學家，甫獲選為美國國家科學院院士。（台灣中研究提供）
蔡宜芳是全球第一位科學家找到植物吸收氮肥的關鍵基因，俐落的短髮、小麥色肌膚，大不同於關在實驗室的研究員，她埋頭耕耘植物研究近30個年頭，足跡深入田野。美國國家科學院（National Academy of Sciences）4月26日公佈最新入選的院士名單，外籍院士只有兩位亞洲科學家，蔡宜芳是其中之一，她也是台灣首位女科學家獲選為美國科學院院士。
美國科學院的院士提名和評選采機密制，被提名的科學家並不知情，名單揭曉時正好是台灣的半夜，蔡宜芳隔天打開電腦收信，被告知參加一個歡迎新院士的線上會議，「我是要去慶祝別人當選，還是我被選上？」她腦海冒出疑問，後來再打開當選名單的信件，「我像是看大學榜單一樣，找到自己的名字。」她仍然不可置信走出去跟實驗室同學說，「我好像獲選為美國科學院院士了。」
當年蔡宜芳從美國學成歸國，對自己許下承諾「要立足台灣、揚名國際」，她自豪在台灣完成整個研究，發現植物的第一個硝酸鹽轉運蛋白、植物感應養分多寡的全新機制，更將基礎科學研究推向實務應用，改進農作物的氮利用效率，並減緩氮肥對環境的危害。
過度施肥掐死地球命脈
氮肥污染導致中國沿海嚴重優養化，油綠海藻覆蓋海面，農地減肥聲浪也不斷浮現。
「氮肥問世是綠色革命重要的一環，有了氮肥，農作物增加，而就在綠色革命之後，全球人口也急速增加，充足的食物養活了人類。」蔡宜芳談起美麗的開端，不過，哀愁緊跟着浮現台面，「氮肥施下後，農作物真正吸收的可能不到一半，甚至三分之一，多餘的氮肥在土壤里又留不住，因為氮肥很快會轉化成硝酸鹽，硝酸鹽是負電，土壤粒子也是負電，負負相斥，隨着下雨沖刷流入河流，最後進入海洋。」
氮肥污染來勢洶洶，蔡宜芳指出，氮肥會造成沿海水域優養化，也就是養分增加、藻類增生，一旦藻類增生，接下來那個區域會逐漸缺氧，魚蝦等海洋生物難以生存，形成「死亡域」（dead zone）。
全球農業每年大約消耗超過1億噸氮肥，估計只有5000萬噸被植物吸收，而1950年以來，全球沿近海的死亡域面積大幅增加了10倍。「這跟氮肥污染息息相關。」蔡宜芳說明，「1950年之後大量使用氮肥，死亡域問題也來愈嚴重，最早出現在美國西雅圖沿岸，不過，隨着當地減少氮肥使用，現在死亡域已經消失，目前肥料過量使用最嚴重的是亞洲。」
中國是全球最大的氮肥消耗國，根據中國國家統計局資料，2010年至2019年，每年平均農業氮肥施用量約為2,280萬噸。蔡宜芳分析，中國單位面積的氮肥使用量是美國、日本的3倍，可是產量頂多是一樣，甚至只有70%，這意味着氮肥是多施的、浪費了，產量沒有增加，反而造成環境問題。
「夢幻的藍眼淚景象，就是優養化的結果。」蔡宜芳以近年被炒紅的旅遊奇景為例，從中國福建的平潭海域，到台灣馬祖沿海，都出現被稱為「藍眼淚」的渦鞭毛藻大量增生的現象。近年來，中國沿海每年都有藻華大面積爆發，黃海還曾經鋪滿近3萬平方公里的海藻，死亡域危機浮出水面，這些跟氮肥都脫不了關係。
令人哀愁的不只是水域優養化，氮肥也是全球暖化的兇手。蔡宜芳解釋，留在土壤的硝酸鹽、氮肥，會轉換為氧化亞氮（N2O），它是一種溫室氣體，比二氧化碳（CO2）的效應強300倍。美國國家海洋暨大氣管理局（NOAA）的科學家曾在國際期刊《科學》（Science）發表研究報告指出，氧化亞氮已成為新的主要破壞臭氧層物質，而農業是氧化亞氮的重要排放源之一。
二十世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）和工程學家博施（Carl Bosch）發明了合成氮肥，以高溫高壓方式混合氮氣和氫氣，這就是知名的「哈伯法」（the Haber-Bosch process）。「空氣中的氮氣鍵結相當強，這是仿炸彈原理去製造氮肥，消耗的能量相當大。」蔡宜芳進一步說明，「全球能源有2%花在製造氮肥上面。」
破解植物吸收氮肥機制
中國是全球最大的氮肥消耗國，單位面積的氮肥使用量是美國、日本的3倍。（翻攝自Our World in Data）
農民長期施用過量的氮肥，追求高產量，卻忽略多施無益和環境成本。蔡宜芳不斷鑽研植物如何把氮肥從土壤中吸進來，以阿拉伯芥為研究對象，找到植物細胞膜上的硝酸鹽轉運蛋白CHL1，接二連三破解謎樣的分子生物機制，也為農地減肥降污提出重磅的科學基礎。
「這些轉運蛋白負責把硝酸鹽從細胞外部送到內部，也負責偵測土壤裏面硝酸鹽的多寡，它很聰明會算術，依據硝酸鹽濃度高低、做出不同反應，所以植物很精密在調控要吸收多少、要代謝多少。」蔡宜芳說明植物體的運送和傳導機制，「它是守門員，同時是搬運工，它也是傳令中心。」
「很明顯的，它是會飽和的，過度施肥是沒有用的，因為植物會把嘴巴關起來，不吃東西了。」蔡宜芳以科普語言歸納研究發現，「我們還找到一個全新的機制，了解植物如何知道養分的多寡，其他的養分的感應也可以透過這個模式，來看看有沒有相同的機制。」
農地減肥的大國難題
濫用肥料對大地造成殺傷力，農業政策扮演重要角色。
放眼全球，中國農作物的氮利用效率始終敬陪末座，根據美國馬利蘭大學助理教授張鑫的研究發現，中國的氮利用率僅有25%，遠低於全球平均值42%，而全球氮利用率要從42%提升至70%，中國要回到1960年代初60%的水平，才能確保地球的承受力處於安全範圍。
反諷的是，當陸地糧食產能建構在大量化肥的基礎上，海洋糧倉的產量反而不斷下降。蔡宜芳認為，氮利用效率低不僅是浪費金錢，同時加劇環境風險，這邊施、那邊流，最終流入大海，等於是為大海施肥，魚蝦生存棲地被破壞，台灣附近海域漁獲量愈來愈少，也可能跟氮肥有關連性。
到底氮肥如何在農業和環境取得平衡點？蔡宜芳建議，合理化施肥，少量多餐是最好的作法，很多作物過度施肥還會抑制生長，每個植物有不同的特質，環境、天氣等因子也會影響氮利用率，所以要視不同條件來施肥、面面具到才行。
此外，農地減肥的關鍵也牽涉政策導向，中國對肥料的補貼常為人詬病。蔡宜芳表示，如果肥料價格訂得高，沒人有願意過量施肥，可是有些農業政策反而是壓低氮肥價格，這就是一個不理想的政策了。
為農業和環境找出雙贏解方，國際學者也陸續應用蔡宜芳的研究發現，探究不同作物的硝酸鹽轉運蛋白和基因組。中國科學院研究員儲成才就發現，秈稻的氮利用效率比粳稻好，比較能在貧脊的土壤中生長，後來找出秈稻和粳稻的硝酸鹽轉運蛋白有一個氨基酸的序列不同，造成兩者的氮利用效率有很大的差異。
科學家同步致力提高植物的氮吸收率，蔡宜芳研究團隊也投入相關實驗，她指出，「植物會把老葉儲存的硝酸鹽送到年輕的葉片，維持年輕葉片的生長，我們嘗試透過遺傳工程改造的方式，來強化這種重新分配的機制，增加植物的氮利用效率，實驗證明阿拉伯芥可以增加生產20%，水稻約為8、9%。」
「我當初走進植物學研究，這個很科學的決定是一個很浪漫的開頭，因為我從小就很愛植物，家人覺得我是怪胎，眼睛裏只有植物。」蔡宜芳輕鬆聊起植物給她的啟示，「面對困難，動物第一個想法是逃離困難，跑得快就活下來，可是植物跑不了，任何難題都要面對它、解決它，我就是在探知植物的秘密，知道它到底用什麼策略來對抗各種逆境。」
當前濫用肥料引爆環境污染危機，人類或許該向植物學習，勇敢面對問題，扭轉地球困境。
