固氮对化肥生产至关重要，并支撑着全球约一半的粮食产量，是一个能源和碳密集型过程。
新的方法有望使固氮更具可持续性，或找到能够增强作物健康和产量的替代性绿色解决方案。
世界经济论坛已将致力于“绿色”固氮的努力列入其2025年十大新兴技术之一。
氮是生命的基本构成要素。它是支撑生物体的蛋白质、核酸和叶绿素所必需的。据估计，氮肥能够养活全球约一半的人口，促进植物生长并提高作物产量，以养活不断增长的世界人口。
然而，目前工业上提取和转化氮的方法——“固氮”——既耗能又高碳，因此全球正大力推动采用更环保的替代方案。
世界经济论坛刚刚将绿色固氮列为其2025年十大新兴技术之一。
什么是固氮，它是如何发生的？
氮占地球大气的78%，但大气中的氮气（N2）是惰性的——即无反应活性——因此植物无法利用。它需要通过转化为氨才能被“固定”，之后植物方可吸收，这是一个预计增长率接近80%的市场，并将于2032年达到超过440亿美元。
在自然界中，这一过程通过植物与固氮细菌之间的天然共生关系实现。为了增强自然的作用并促进植物生长和提高产量，必须大规模地以化学方式固定氮。
化肥行业的绝大部分氨是通过哈伯-博世法生产的，该方法已有一个多世纪的历史。这种方法将大气中的氮与氢气在高温（约500摄氏度）和高压（超过100巴）条件下通过催化反应结合。
为何目前的固氮方法对环境有害？
尽管哈伯-博世法为养活世界做出了贡献，但它是能源消耗最大的工业过程之一，消耗全球能源的1%至2%。其中大部分能源用于从天然气（一种化石燃料）中制取氢气。
这意味着会产生大量温室气体排放：合成氨约占全球二氧化碳排放量的1.5%，同时还会产生一氧化二氮（N2O），这是一种强效温室气体，在化肥施用于农田时释放。一氧化二氮的全球变暖潜能值约为二氧化碳的300倍。
然而，为了持续养活在2050年前将达到100亿人口的世界，对固定氮的需求只会不断增长。
新技术正在涌现，有望使固氮更具可持续性，并减少温室气体排放强度。
固氮如何才能变得更具可持续性？
一些致力于“绿色”合成氨的努力回归基础，借鉴自然界利用细菌固氮的方式。通过改造能更有效固氮的细菌，作物可以与其自身的固氮伙伴相结合。这最终有望消除对合成化肥的需求及由此产生的相关排放。
在此背景下，一个看似不太可能的候选者是浮萍，它生长在池塘和沼泽中。浮萍富含蛋白质，且每两天其质量可翻一番。初创企业Fyto在来自乳制品农场、富含氮的废水浅池中培育浮萍。收获后，浮萍可直接用作牛饲料，或转化为可持续化肥。
世界经济论坛在第四次工业革命方面开展了哪些工作？
前沿技术与创新中心汇聚科学家、政策制定者和企业领袖，共同理解新兴技术及其在现实世界中的影响。
通过促进协作与实验，该中心帮助合作伙伴将研究中的创新转化为实际应用，以应对全球共同面临的挑战。
其他努力则聚焦于电化学氮还原即利用锂进行电催化，并对哈伯-博世法进行升级，使其能够采用可再生原料。
氨生产脱碳也与全球推动氢合成脱碳的努力密切相关，而氢合成是该工艺中能源和排放最密集的环节。无碳的“绿色”氢气可通过水电解获得，即利用可再生能源或核能分解水，以替代天然气。为使现有化石燃料设施脱碳，碳捕获技术可以在二氧化碳进入大气之前将其封存。
然而，尽管全球政策势头强劲，这两种方法目前仍仅占整体产量的极小部分。
除固氮外，还有哪些其他替代方案？
除技术创新外，改进和推行可持续农业实践，也有助于减轻固氮对环境的影响。
豌豆、豆类和扁豆等豆科植物的固氮率位居最高之列。将这些作物与固氮能力较弱的作物轮作，有助于改良土壤，并减少对化肥的需求。
精准农业也可以显著有助于减轻固氮对环境的影响。以数据为导向的洞察和技术，可帮助在正确的时间施用适量的化肥。施用量可以降到最低，从而消除浪费，并减少环境危害，包括温室气体排放以及因大量残留氮而导致的土壤酸化。
固氮的未来前景如何？
固氮的绿色化处于粮食安全、气候行动和可持续发展的交汇点。
随着绿色氢和氨有望在大规模范围内使航运和发电脱碳，此处所产生的动力也很可能推动化肥行业的转型。这些及其他新方法一旦在实践中推广，有望更高效、更可持续地满足日益增长的粮食需求。
