N2 + 3H2 → 2NH3
通常化学课的时候，老师只会提到，因为氮气（N2）的两个氮原子之间是三键（Covalent bond），所以要打开氮气很不容易；因此不但要用高温高压，还要用铁粉当催化剂...
然后？就没有了。讲完了。
但是，哈伯法伟大的地方就只是这样吗？哈伯（Fritz Haber）因为发明了这个方法，得到1918年的诺贝尔化学奖。难道就是因为他成功的打断了氮-氮三键而已吗？
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| 图片来源：维基百科 |
当然，产量提高其实也是有限度的，在植物的营养上，有个名词叫做「关键浓度」（critical concentration）。当土壤中的养分低於这个浓度时，植物的生长与养分的浓度成正比；超过这个浓度以后，植物的生长跟养分的浓度就不成正比了，也就是说，用再多也没有明显的效果。
但是，在过去只能使用天然肥料（动物的尸体、粪尿、植物的落叶等）的时代，由於天然肥料必需要等待微生物分解（这部分在堆肥时已经大致完成），再经过土壤中的微生物将其中含氮成分分解为硝酸根（nitrate，NO3-）与銨离子（NH4+）后，才能為植物所吸收，因此效果缓慢。加上為了方便起见，农人们总是会以单作（monoculture）的方式来种田，这种在大片的土地上种植单一作物的方式，很容易会使土壤缺少某些特定的养分（尤其是氮与磷），所以在哈伯法还没有出现以前，要提高土壤内的氮浓度，除了使用天然肥料之外，就只剩下使用绿肥，或是与豆科植物轮作了。
但是，这些方法，都不能使土壤中的氮的浓度超过关键浓度；因此，当哈伯法出现之后，农夫将化学肥料施放在田里，立刻有了奇效——农作物的产量大大的提升。加上育种改良以及杀虫剂、除草剂的使用，20世纪小麦与稻米的产量提升了8-10倍（平均产量是4倍）。
但是哈伯法对於科学界的贡献，并不仅仅在於农作物产量的提升；在哈伯发明化学固氮之前，一直有一派学说认为，这些在生物体中的化合物，只有生物才能合成（也就是所谓的生机论Vitalism）。虽然生机论在科学上的地位在1828年在维勒（Friedrich Wöhler）合成尿素以后，已经岌岌可危；但是直到哈伯法出现以后，生机论才不再被提起。
但是哈伯法对全人类最大的贡献，还是在于：从此想要多少氮肥，就可以制作多少氮肥。虽然在十九世纪Sach等人的研究，已经使大家了解，要能够正常的生长与繁殖，植物需要17种元素（称为必需元素essential element）；但是其中最关键的氮与磷，却始终无法足量提供给植物。
但是，大量的施放氮肥，却造成了另一个效应：死亡海域（Dead zone）。
死亡海域最早出现在1970年代。由于化肥的大量施用早在1930年代就开始了，因此也花了一些时间去釐清到底是怎麼回事。简单来说就是，大量施放氮肥（主要是硝酸根）与磷肥（磷酸根）到土壤中，但是土壤主要是由硅酸铝颗粒构成，也是带负电的，所以同性相斥使得氮与磷无法久留在土壤中，很容易随著雨水、灌溉水流到附近的湖泊与河流裡，最后流到海裡。
当海里的氮与磷浓度上升以后，造成藻类大量生长，形成藻华（algae bloom）；藻华隔绝了水下植物的阳光，使得水下植物开始死亡；植物的死亡与分解吞噬了水中的氧气，接着动物开始死亡......然后就是死亡海域。
由於惯行农法的单作、密植，使得化肥成为农业的必要之恶；所以死亡海域一直都是难以解决的问题。2008年的统计，全球的死亡海域共有405个点；而死亡海域的「热区」集中在人烟稠密的北半球。
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| 全球死亡海域热区。图片来源：维基百科 |
而施放化肥加上灌溉，除了造成死亡海域之外，又会使得土壤酸化、盐化。虽然哈伯法似乎在短时间内提高了农作物的产量，养活了许多人（这可以由1940年代开始，世界人口急速上升看出来）；
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| 世界人口增长速度。图片来源：维基百科 |
但是，哈伯法所造成的副作用，包括死亡海域、土壤酸化、盐化，以及因为人口大幅增长造成土地大量被开发的生态破坏等等......究竟是功是过呢？其实科学家发明了新技术，而这个新技术在大量被使用之后，产生了意想不到的变化，我想这也是当初哈伯始料未及的吧！
参考文献：
1. Taiz and Zeiger, Plant Physiology, 5th ed.
2. Laurance Mee. 拯救死亡海域。2006。科學人。
3. Wikipedia. World population, Dead zone.
文章摘自「老葉的植物王國」
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