内容提供/卫城出版 文/查尔斯. 曼恩
人类在19世纪发现氮元素对植物生长的效果后，当时最知名的肥料来源是秘鲁的鸟粪。 由于需求导致鸟粪价格提高和供应减少，注意力逐渐转向硝酸钠（NaNO3）。 硝酸钠由一个钠原子、一个氮原子和三个氧原子构成，彼此结合得不算紧密，可让植物吸收到氮。
世界上最大的硝酸盐矿藏位于智利北部的沙漠中。 这里虽然几乎从不下雨，但经常飘着来自太平洋的毛毛雨。 这片毛毛雨非常稀薄，每年不到25毫米，但含有来自洪堡洋流的养分，喂养供鸬鹚食用的秘鲁鳀鱼。 其他养分随尘土从天上落下和随地下水涌出。 由于几乎没有降雨冲去残余物，因此沉积物会随时间逐渐累积，最后形成一片长640公里、宽19公里、厚2.7米的天然肥料层。 全世界争相使用这片肥料。 智利生产的硝酸盐成为包装肥料（当然啦，还有炸弹）的主要成分。 加拿大曼尼托巴大学的瓦克拉夫. 斯米尔（Vaclav Smil）在他撰写的氮用途演变史中曾经提到，20世纪开始时，运往美国的硝酸盐有将近一半用于制造炸药。
19世纪中叶，秘鲁钦查群岛附近挤满运载鸟粪的帆船，可见其需求之大。 图片来源：《伦敦新闻画报》;Manuel González Olaechea翻摄。 CC BY-SA 3.0
1898年，英国化学家威廉. 库鲁克斯（William Crookes）提出警告，指出氮即将用尽。 库鲁克斯是委托李比希撰写报告的不列颠科学协会新任主席。 他在就任演讲中特别强调欧洲日常食用的面包。 他说全世界的面包食用者每年增加600万以上。 为了养活这些新的面包食用者，农民必须开垦新的土地，或是使用更多肥料，在现有的土地上生产更多谷物。 库鲁克斯认为，这两条路都不可行。 适合的土地大多已经开垦，而肥料需求增加将「在数年内」用尽秘鲁鸟粪和智利的硝酸盐。
库鲁克斯预测，1930年代，世界小麦供应「将会严重不足，因而造成大萧条」。 库鲁克斯希望科学能拯救面包食用者。 他的愿望果然实现了，科学确实挽救了世界——或着说，至少挽救了一阵子。
化学武器之父开创了化肥生产
库鲁克斯公开发表警告后6年，一家奥地利化学公司委托德国化学家弗里兹. 哈伯研究化学肥料。 更精确地说，这家奥地利公司要哈伯研究的是合成氨。 研究人员几十年来一直相信，只要能制造氨，就能用它制造化学肥料。 化学肥料可在工厂中生产，不需要从地面挖出再远渡重洋。 从化学上说来，氨（NH3）相当单纯：三个氢原子和一个氮原子，排列成近似金字塔的形状。 氢和氮通常都是气体形式H2（氢）和N2（氮）。 理论上我们应该能把气态的氮和氢分解成单一的氮原子和氢原子，再把这些原子当成建构单元，结合成的NH3。 不过如同植物无法分解N2一样，人类制造合成氨的努力也失败了。
实验室中的哈伯;在发明肥料外，他也是「化学武器之父」，据说他的首任妻子因反对他开发武器而自杀。 图片来源：Bundesarchiv， Bild 183-S13651 / CC-BY-SA 3.0
「失败」在这里的意思是「没有设计出可用的工业方法」，但化学家其实老早就做出合成氨，只不过仅限于在极高的温度和压力下，以成本高昂的实验方法合成罢了。 但即使在这些极端条件下，这个化学反应依然需要「催化剂」，也就是促进化学反应进行但本身不变的物质;而催化剂就像恣意穿越马路的行人，来车闪避不及造成车祸后却毫发无伤地离开。 但和造成混乱的行人不同的是，催化剂是协助数千种化学反应顺利进行的重要物质。
好几种金属可当成制造氨的催化剂。 在适当条件下，金属可吸收氢气和氮气，分解成独立的氢原子和氮原子。 自由的氮原子能轻易和氢原子结合，形成氨分子。 新生成的氢氮键结释出的能量协助氨分子脱离——化学术语是「脱附」（desorb）——金属表面，进入空气中，金属本身则没有变化。
哈伯自己尝试过。 他和前人一样，发现让高温高压的氢气和氮气通过铁、锰和镍等金属上方可产生可测得的少量氨，比例大约是原始气体的万分之一。 哈伯让氢气和氮气重复循环，可以非常缓慢地把大部分氮转换成氨。 但如同他向奥地利方面报告的，这个过程太费时费力且不符成本，就像投下数百万美元建造柳橙汁工厂，但每天却只能生产一小匙果汁一样。
「以空气生产面包」 从此改变土地、天空和海洋
哈伯决心扳回面子，重新着手研究氨。 这次他找到新的门路：全世界规模最大的化学公司巴登苯胺和苏打水厂（Badische Anilin- und Soda-Fabrik，简称BASF）。 眼前的基本问题是氢和氮在高温高压时合成氨的效率最高，但这些条件提高了合成的成本和难度。 BASF协助哈伯打造更好的设备和研究更好的催化剂。 1909年7月2日，哈伯终于达成重大突破，他把高温气体连续打入设备5小时，持续产生液态氨。
哈伯的实验模型只有75公分高，对商业化生产而言容量太小。 他使用的催化剂是锇和铀，也不适用于商业化生产，因为铽的全球年供应量不到113公斤，铀也相当危险，不仅有放射性，而且很容易与氧和水反应后爆炸。 尽管如此，他还是证明大量合成氨是可行的。
BASF 于莱茵河畔的路德维希港附近兴建全世界最早的氮肥合成厂，1913年开始运作生产。 （图片来源/BASF – We create chemistry@flickr CC BY-NC-ND 2.0）
BASF指派化学工程师卡尔. 博施负责提升哈伯工艺的规模及寻找成本合宜的催化剂。 博施同样为固定氮投入多年时间。 他得知哈伯已经达成目标时，毫不迟疑地向公司表示应该采用对手的设计。 打造制造氨所需的高压槽十分困难，因为博施失望地发现，氢会渗入槽壁和钢铁中的碳结合，降低钢铁强度。 同时博施成立团队，测试数千种化合物，寻找更好的催化剂。 最后发现最好的催化剂是铁混合少许铝、钙和镁。 最终，BASF第一座氨工厂终于在1913年完工启用。
5年后（1918年），哈伯以合成氨获得诺贝尔奖，而博施和主要助手则于1931年以开发「化学高压法」 （chemical high pressure methods）获得诺贝尔奖。 氨合成的成本依然相当高昂，化学肥料无法真正普及，直到1930年代才改观。 尽管如此，这两座诺贝尔奖仍然实至名归，哈伯法可说是20世纪最重要的科技发展，也是史上最重要的发现。 哈伯法改变了土地和天空，重新塑造海洋，并且大幅改变人类的命运。 德国物理学家马克斯. 冯. 劳厄（Max von Laue）说得最中肯：哈伯和博施让人类得以用空气生产面包。
布劳格和他培育出的抗病小麦;化肥、作物育种等技术成果结合，造就20世纪绿色革命。 （图片来源/Lou Gold@flickr 翻摄自LIFE Magazine. November 1970 Mexico CC BY-NC 2.0）
全世界的化学肥料现在几乎全都以哈伯法生产。 未来学家拉梅兹. 纳姆（Ramez Naam）曾经指出，全世界用于生产化学肥料的工业能源略多于1%。 值得注意的是，纳姆表示：「这1%大约是全世界可种植的粮食的2倍。」 1960年到2000年间，化学肥料使用量增加了800%左右，其中约有一半用于种植3种谷物，分别是小麦、稻米和玉米。 有些人对这个数字的解读是认为，这完全是因为布劳格（培育出多种抗病作物的美国生物学家，被称为绿色革命之父）和助手培育新品种的小麦、稻米和玉米，加上使用哈伯和博施的研究成果所产生的成就。
化肥助养活30亿人口 却成生态隐忧
提升粮食供应量同时造成人口增加。 斯米尔计算，哈伯法肥料负责供应「将近全世界人口45%的主要粮食」。 大致上，这等于养活大约32.5亿人。 超过30亿男女老幼，以及超乎想象的众多梦想、恐惧和探索，全都因为20世纪初的两位德国化学家才得以存在。
人工固定氮影响的深远程度难以想象。 想想看有多少人因而不致饿死，有多少人因而获得成功的机会，有多少人原本只能希冀温饱，但因而得以创造杰出的艺术作品和科学研究成果。 日本、瑞士和美国伊利诺州的粒子加速器、《百年孤寂》（One Hundred Years of Solitude）和《分崩离析》（Things Fall Apart）、疫苗、电脑和抗生素、雪梨歌剧院和史蒂芬. 霍尔（Steven Holl）的圣伊纳爵教堂等等，有多少人直接或间接受益于哈伯和博施？ 如果没有巫师的成就养活这些创作者，其中又有多少能够存在？
但有利就有弊。 近60年来使用的肥料中，有40%左右没有被植物吸收，而是流入河水或化成氮氧化物进入空气;另外一些流进河流、湖泊和海洋的肥料仍然是肥料，促进海藻、杂草和其他水中生物生长。 这些生物死亡之后落到海底，成为微生物的食物。 食物供应量增加，使微生物迅速增长。 微生物呼吸耗尽浅水的氧，导致大多数生物死亡。 有农业径流的地方，死亡区域特别多。 每年夏天，来自美国中西部农场的氮经由密西西比河流进墨西哥湾，于2016年造成面积接近18，000平方公里的缺氧区。 第二年，孟加拉湾出现更大的缺氧区，面积高达6万平方公里。
汽车引擎更是火上加油。 汽车燃烧时的副产品把氮气转换成各种氮氧化物（化学式是NOx）。 氮氧化物进入大气同温层，与具有保护作用的臭氧结合。 臭氧可阻隔有害的紫外线，保护地球上的生物。 臭氧和氮氧化物结合将会失去作用。 在地面，NOx也会造成污染。 无用氮的总成本估计每年多达数千亿美元。 科学作家奥利佛. 莫顿（Oliver Morton）指出，如果没有发生气候变迁，氮帝国的扩张将成为人类最大的生态隐忧。
