老葉的植物王國

自從幾年前開始教通識課以後，對於許多課程要怎麼教，開始有了不同的想法。怎麼說呢？一般專業課程總是強調「專業」，舉個例子好了，學過國高中化學的同學應該都知道哈伯法(Haber-Bosch Process)，在高溫高壓下以鐵粉做為催化劑將氮氣與氫氣轉化為氨(ammonia)： N 2  + 3H 2  → 2NH 3 通常化學課的時候，老師只會提到，因為氮氣(N 2 )的兩個氮原子之間是三鍵，所以要打開氮氣很不容易；因此不但要用高溫高壓，還要用鐵粉當催化劑... 然後？就沒有了。講完了。 但是，哈伯法偉大的地方就只是這樣嗎？哈伯(Fritz Haber)因為發明了這個方法，得到1918年的諾貝爾化學獎。難道就是因為他成功的打斷了氮-氮三鍵而已嗎？ 哈伯（Fritz Haber），圖片來源： wiki 當然不是。哈伯法的重要性在於，從此人類打開了以人工提高作物產量的大門，農作物的產量從此大大的提高。 當然，產量提高其實也是有限度的，在植物的營養上，有個名詞叫做「關鍵濃度」（critical concentration）。當土壤中的養分低於這個濃度時，植物的生長與養分的濃度成正比；超過這個濃度以後，植物的生長跟養分的濃度就不成正比了，也就是說，用再多也沒有明顯的效果。 但是，在過去只能使用天然肥料（動物的屍體、糞尿、植物的落葉等）的時代，由於天然肥料必需要等待微生物分解（這部分在堆肥時已經大致完成），再經過土壤中的微生物將其中含氮成分分解為硝酸根（nitrate，NO 3 -）與銨離子（NH 4 +）後，才能為植物所吸收，因此效果緩慢。加上為了方便起見，農人們總是會以單作（monoculture）的方式來種田，這種在大片的土地上種植單一作物的方式，很容易會使土壤缺少某些特定的養分（尤其是氮與磷），所以在哈伯法還沒有出現以前，要提高土壤內的氮濃度，除了使用天然肥料之外，就只剩下使用綠肥，或是與豆科植物輪作了。 但是，這些方法，都不能使土壤中的氮的濃度超過關鍵濃度；因此，當哈伯法出現之後，農夫將化學肥料施放在田裡，立刻有了奇效--農作物的產量大大的提升。加上育種改良以及殺蟲劑、除草劑的使用， 20世紀小麥與稻米的產量提升了8-10倍 （平均產量是4倍）。 但是哈伯法對於科學界的貢獻，並不僅僅在於農作...

學過美國地理的朋友應該都知道五大湖吧！筆者當年就對五大湖印象深刻，後來才知道，原來五大湖的湖水深淺各不相同。 其中伊利湖（Lake Erie，下圖深藍色部分）是五大湖中水最淺的一個湖，平均水深只有18公尺，而西岸的水尤其淺。最近因為發生了嚴重的藻華狀態，使得位於俄亥俄州的Toledo市（位於伊利湖最西邊的尖角上）因為藍綠菌微囊藻（cyanobacteria ） Microcystis 所產生的毒素，市長被迫在數週前要求市民不得飲用自來水。 伊利湖，圖片來源： 維基百科 但是，這樣的狀況其實在美國發生的頻率愈來愈高。去年在Toledo市附近的一個小城也因為同樣的理由必需要求市民改喝礦泉水。 有些人可能會想：為何不能把微囊藻的毒素去掉就好了呢？原來，被微囊藻污染的水，不能經由煮沸將毒素除掉--毒素不怕熱，而微囊藻會因為加熱煮沸而死亡，釋放更多的毒素到水中；要除掉毒素必需要加入化學藥劑以及使用活性炭才能去掉毒素，整個過程非常的昂貴。因此，一旦水中的微囊藻濃度超標，除了叫大家喝礦泉水之外別無他法。 微囊藻（ Microcystis aeruginosa ）。圖片來源： 維基百科 而這些微囊藻又怎麼會大量繁殖呢？原來是因為湖裡面的有機磷含量過高，使得微囊藻大量繁殖。過去，在伊利湖周邊的城市，為了解決有機磷排放的問題，已經規定洗潔精、洗衣粉等家用清潔劑不得使用含磷的產品；而這項措施使得排入伊利湖的有機磷減少了三分之二。原本以為這樣應該就可以不必再煩心藻華的問題，但是伊利湖附近的農場卻為附近的居民帶來了另一個問題：過量施肥。 原來，農場習慣在前一年的秋天、冬天或當年春天在作物尚未種植之前，先在田地裡施肥（應該是稱為基肥），這樣農作物種下去以後，就會有足夠的養分。可是這樣的施肥法，使得大部分的肥料（氮與磷）都隨著雨水流到附近的河流，以及湖泊--對於Toledo附近的居民來說，就是伊利湖。 估計農夫施放的肥料（主要是氮與磷），大約有60%都流走了；為什麼氮與磷會這麼容易流走呢？ 原來，土壤顆粒的主要成分是矽酸鋁（Al 2 Si 2 O 5 ·(OH) 4 ），而矽酸鋁帶負電，造成陽離子容易吸附；但是植物能吸收的氮與磷的形式是硝酸根（NO 3 -）與磷酸根（PO 4 -3），這些都是帶負電的離子，當然與土壤顆粒同性相斥。於是造成氮與磷在土...