北美伊利湖，人类活动产生的过量氮排放会导致大量的藻华
人类活动已经严重扰乱了全球氮循环。地球环境安全界限——作为人类安全运行空间——已经被氮循环超越。在世界上的一些地方，过量的氮对生物多样性、人类健康及气候均有负面影响。然而，在世界上的其他地方，氮的短缺却意味着食物需求无法得到满足。氮循环的这种大规模干扰带来了相当大的挑战，需要因地制宜广泛采用适当的氮的管理方法。
氮是地球上一种丰富的元素，它占地球大气的78.1%，是所有生命形式的必需营养物。这些氮大部分以氮气（N2）这一惰性形式存在，大多数生物无法将其利用。但其中的一部分由自然或人为过程固定的氮，则是以活性形式［Nr，包括氮氧化物（NOX），还原态氮（NHX），一氧化二氮（N2O），硝酸（HNO3）以及其他有机和无机形式］存在，可供生物利用。在过去的一个世纪里，来自人类活动的Nr的数量现如今已经增加到超过自然固定的氮的程度，导致氮的全球性循环增加了一倍多（人为的Nr的生产为210百万吨/年；自然界Nr的生产为203百万吨/年）。由于固氮量的增加，空气、水和土壤中的氮污染已成为世界许多地区关注的主要问题。
氮素利用不均
发达国家氮污染的一个主要原因是粮食生产。在粮食生产和消费过程中释放到环境中的Nr污染物是由一系列问题引起的，包括肥料的过度使用、动物废物的管理不善、蛋白质的过度消费及厨余垃圾。1961至2007年间，全球性化肥氮素投入和粮食产量均有所增加，但从收获的作物中回收的氮肥添加量仍保持相对不变，约为40%。这就意味着流失到环境中的氮量稳步增加。
然而，全球氮肥的使用有着相当大的不平衡。在经济合作与发展组织（OECD）之外的国家和主要新兴经济体中，农作物吸收的氮量仍然很低。不仅肥料不足，可利用的营养物质也常常没有得到有效利用。撒哈拉以南非洲地区就是一个极好的例子。在这里，2012年贫瘠土壤粮食作物的平均产量为1吨/公顷，而肥料的平均使用量则为9公斤/公顷耕地。相比之下，作为主要新兴经济体所在地的亚洲，作物产量可达4.5吨/公顷，但这是通过平均96公斤/公顷的施肥量达到的。氮的短缺显然导致了满足人口粮食需求方面的巨大问题。这些问题正如氮污染在世界其他地区造成的问题一样难以解决。
可用性Nr增加的后果
可用性Nr增加的主要后果之一是Nr在大气中的沉积增加。1900至1980年间，欧洲氧化氮（如NOX和N2O）的沉积增长了3至4倍，而还原氮（例如氨）的沉积则翻了一番。科瑞恩（Craine）等人最近表明，植物组织中的氮浓度——通常被认为是植物吸收氮量或它们的氮素状况的指标——在1980至2017年之间发生了全球性的下滑，尽管在全球范围内可用性Nr日益增多。氮含量的减少似乎表明，植物可利用的氮比过去要少了。虽然1980年以来，一些发达国家的氮沉积有所下降，但这并不是一种全球性趋势，这使得植物氮储备的减少很难与氮排放的增加相协调。作者认为这是由二氧化碳（CO2）含量的增加和生长季节的延长造成的，这使得生物质产量大幅度增加。
稳定同位素研究可以为植物组织中氮的来源提供信息。稳定同位素是用样品中重同位素和轻同位素的比值来测量的；大气中沉积的氮源通常很轻(称为哈勃﹣博世效应)。氮稳定同位素比率（δ15N）的下降可能表明了大气沉积的增加。确实，在最近的一项建模研究中，杨（Yang）和格鲁伯（Gruber）发现全球海洋中同位素轻氮含量增加；米（Mii）和西格玛（Sigman）报告了在一处远海珊瑚礁上的类似的观察结果。科瑞恩等人同样也观察到了δ15N的下降，尽管数据有着较大变异性且变动很小。因此，尽管氮的大气沉积增加了，但植物氮浓度仍在下降。
科瑞恩等人质疑人类是否已经超越了氮素有效性真正的地球环境安全界限，因为植物组织氮正在锐减。然而，对生态系统的广泛破坏支持了这一观点，即我们确实已经超越了地球环境安全界限。大气中氮的沉积已经增加到了这样一种程度，即已成为全球植物生产力的主要驱动力，并在大陆尺度上成为物种丰富度和物种组成的重要驱动力。许多模拟沉积的田间试验表明，当氮的添加量减少时，土壤化学和物种组成的恢复具有相当大的惰性。
例如，鲍曼（Bowman）等人已经证明，在美国落基山脉的高寒草原上，历时12年的模拟Nr沉积导致了物种组成的显著变化，包括曾经的优势物种莎草的减少和其他物种的增加。研究还发现，土壤中的真菌﹣细菌比、硝化作用、土壤pH值、有毒金属浓度和阳离子浓度也发生了变化。在停止Nr投入9年后，许多的土壤变量仍未恢复到基准水平，生物区系亦如此。这种类型的发现并不少见，而且由于在一些群落中观测到的恢复不足，部分生境可能已经达到了其他稳定状态。
解决过剩和短缺的问题
对氮沉积造成的损害程度的认知，以及其他环境政策领域的协同效应，已经开始引起氮排放和氮沉积的减少。主要由燃烧过程产生的氧化氮的沉积20世纪80年代在欧洲达到高峰，之后即开始下降，这主要得益于减少空气污染的相关政策，同时也得益于减少碳排放的协同效应。主要由农业活动产生的还原氮的沉积的减少则要小得多。在还原氮排放方面缺乏进展的部分原因是许多国家对农业排放的管制比工业和运输排放的管制要宽松。在美国也观察到了类似的趋势。
要进一步减少Nr的产生，就需要广泛改变对农业操作规范和对粮食的态度。李（Li）等人强调了粮食生产系统对环境造成的环境压力。如果人类想要待在地球安全环境界限内，包括氮的安全界限内，我们就必须改变饮食结构，并结合技术进步以及减少食物浪费。尤其是肉类的消耗，推动了人类的氮足迹，因为在肉类生产过程中，大量的Nr会流失到环境中。从全球来看，肉类的消耗持续增长，但有证据表明，在部分高收入国家，人均肉类消耗已经开始下降。
地球的氮循环在全球范围内受到了极大的干扰，迫切需要解决环境中氮过量的问题。可以采取许多潜在的办法进一步减少Nr的投入，例如针对农业和工业排放的技术解决方案以及污染行业做法的改变。这可能包括动物粪便存储方式的优化，精准农业以减少肥料的投入，以及气体洗涤以去除工业排放中的氮。然而，诸如此类的措施需要得到广泛采用，并受到立法权限的支持。
世界上许多地区Nr匮乏的问题也迫切需要得到解决，以确保粮食生产足以满足需求。氮的匮乏是一个复杂的问题，与许多社会学因素有关，关于无机肥料应该发挥的作用有相当大的争议。
平衡这两个截然不同的问题，对将Nr作为环境问题向公众传播提出了巨大的挑战，并且这一问题只能通过自然科学家和社会学家、政府以及非政府组织之间的合作来解决。Nr的过剩和短缺将继续成为未来的主要环境问题。提高认识、改变行为和加强监管，特别是减少氮的排放，必须集结起来共同应对这一全球性问题。
资料来源Science