互动科普

尽管可能与生命的化学过程一样复杂，但植物生长旺盛的条件往往被归结为三个数字： 19-12-5。这是氮磷钾含量的百分比，被醒目地标注在每个化肥包装袋上。20世纪，这3种营养元素提高了农业生产力，供养了增长6倍的世界人口。但它们从哪里来？我们从空气中获得氮，而磷和钾必须开采矿石获得。地球上的钾足够未来几个世纪之用，但磷则不同：到本世纪末，全球可利用的磷资源可能就会枯竭。而到那时，地球人口可能达到顶峰——一些人认为，这一数量将远远超过地球的可持续承载量。

 问题的恶化可能会更快。正如2008年石油价格飙升所呈现的那样，一种资源在枯竭前的很长时间内，市场就会紧缩。与石油相比，磷供应的分布更不均匀，需要额外关注。美国是世界上第二大磷生产和出口国（第一为中国），为全世界总量的19%，但其中65%来源于一座磷矿——佛罗里达州坦帕市附近的地下磷矿，这座矿可能维持不了几十年。同时，近40%的全球储量分布在摩洛哥一个国家，该国被称为“磷的沙特阿拉伯”。分布的严重不平衡，使磷成为与地缘政治捆绑的定时炸弹。

同时，化肥给环境敲响了警钟，现代农业使陆地磷自然消耗速率提高了3倍，而且过度的水土流失将磷带进水体，造成无法控制的藻华（algal bloom），破坏了水生生态系统（aquatic ecosystem）的平衡。与碳和氮等其他元素相比，人类对磷关注较少，但磷已成为这个时代最严重的可持续性问题之一。

绿色启示

我对磷的兴趣，可以追溯到20世纪90年代中期，当时我参加了美国航空航天局（NASA）的一个项目：在太空中种植粮食。设计这样一个系统，需要在太空船的密闭环境中，对所有进入食物和需要再循环的元素进行精细分析。这些知识对未来的火星之旅是必要的，因为这样的旅程几乎需要持续3年。

本质上来说，我们的地球也是一艘太空船，每种元素都有一个固定总量。在自然循环中，风化使磷从岩石中释放出来，进入土壤。土壤磷被植物吸收，进入食物链，贯穿每个生命的生命周期。磷是生命不可替代的成分，通常以磷酸盐离子（PO4-3）的形式存在。它形成了DNA和细胞膜的骨架，还是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，简称ATP，细胞能量储存的主要形式）分子的关键成分。平均每个成人体内含有约650克磷，大多数存在于我们的骨骼中。

陆地生态系统在局部循环中，平均能反复利用磷46次。这种矿物质通过风化、冲刷进入海洋，在成为海底沉积物之前，它们可能会在海洋生物体中再循环800次。1,000万年以后，地质构造的隆升会将它们再次返还给干燥的陆地。

农作物的收获打破了这种循环，因为它将磷从土地中移走。近代科学出现之前的农业，用人类和动物的粪便做肥料，养分返回土壤的速率大约等于消耗的速率，但现代社会将食物生产和消耗分离开来，限制了我们将养分返还给土地的能力。相反，我们只使用一次，就将它们冲走了。

农业也加速了土壤侵蚀，由于犁地和耕作干扰和暴露了土壤，更多的磷随着冲刷而流失。防洪工程也干扰了自然界的磷循环：江河洪水能够将富含磷的沉积物重新分配到含磷量较低的土壤中，在这里磷可以被生态系统再次利用。而防洪工程中断了这个过程，沉积物被大坝截留，或受防洪堤限制只能一直存在于江河之中，直到被冲入大海。

来自于土壤侵蚀和人畜粪便、并终止于湖泊和海洋的磷太多，它们催生了大量蓝细菌（也称为蓝绿藻），导致无法控制的藻华。一旦蓝细菌死去或沉入水底，它们的腐烂会使其他有机体死于缺氧，形成“死亡带”（见下页图），造成渔业损失。

供应的可持续性

据估计，现在每年进入循环的磷累计达3,700万吨，其中大约2,200万吨来自于磷矿开采。地球的富磷矿（被认为是可经济地开采的）大多数不容易利用。1987年国际地质对比计划（International Geological Correlation Program，IGCP）计算得出，全世界可能拥有约1,630亿吨的磷酸盐矿石，约合130亿吨磷，似乎足以维持上千年的供应。可是这些估算的储量包括各种类型的岩石，如高碳酸盐矿石。作为资源，它是不实用的，因为还没有经济上可行的技术能够从中提取出磷。这个数字还包括那些由于所处地层过深或离海岸线太远而难以接近的沉积物；而且它们可能出现在不发达地区或环境敏感地带，也可能与高水平有毒物质或放射性污染物（如镉、铬、砷、铅和铀）混杂在一起。

根据目前经济上可行的技术来判断，磷资源的储量为150亿吨。照目前的利用率可足够维持90年左右。但是，随着人口增加和发展中国家人民生活质量的提高，磷的消耗可能会增长。尤其是肉类消费的增加，会对土地形成更大的压力。因为动物吃掉的食物比它们产出的食物要多得多。

磷的储量也具有地理上的集中性，中国、美国、南非和摩洛哥四个国家就占了世界磷储量的83%，占每年生产量的2/3（见上方图表）。美国磷矿主要分布在佛罗里达磷矿谷（Bone Valley），这是1,200万年前在大西洋中形成的化石沉积层（fossil deposit）。美国地质调查局的数据显示，美国磷的总储量为12亿吨，每年大约开采3,000万吨磷矿石，按现在的生产速度大约可以维持40年。

美国已经没有充足的磷矿资源来满足以出口为主的肥料生产，因此需要进口磷矿石；中国拥有高质量的磷矿储藏，但并不出口；美国进口的磷矿石大多来自摩洛哥。美国和全球许多国家可能会依靠单一国家提供关键资源，这种情况甚至比石油进口面临的威胁更严重。

一些地质学家对磷危机表示质疑，他们认为，对资源和资源利用可持续时间的评估是用固定的步枪去打移动靶。因为可开采储量本身就是一个动态指标：当价格上升时，一些本来因太过昂贵而无法开采的矿藏就会变得值得开采，从而被划到可开采储量当中。短缺或价格起伏会刺激对资源的保护或开采技术的发展。

只有当某种资源的使用年限不足百年时，采矿公司才会有勘探的动力。不过旧矿的掏空也会激发更多的勘探活动，这会扩大已知磷储量。20年前，地质学家R·P·谢尔登 （R. P. Sheldon）指出，20世纪新矿藏的发现速度一直存在问题。但谢尔登也指出，具有土层较厚的热带地区还没有被充分地勘探过：这些地区占地球陆地表面的22%，已知磷储量却仅占2%。

但是，新发现的大多数磷矿都位于两个地方：摩洛哥和美国北卡罗来纳州。北卡罗来纳州的储量大部分是禁用的，因为它们位于环境敏感区。这样看来，到目前为止，新磷矿的发现不足以减轻对未来供应的担忧。因此，面对紧迫的磷危机，社会应该开始认真努力，保护磷资源。

稳定状态

可以用于磷资源保护的标准方法无非是：节约、循环和再利用。我们可以通过更为有效的农业措施，比如梯田和免耕，来减少土壤侵蚀，从而减少化肥的使用（参见《环球科学》2008年第7期《免耕法保护土壤》）。收获的作物中无法食用的部分，如秸秆，应该返还给土壤，这样其中包含的磷也返还给了土壤。来自肉类和乳品生产的动物废弃物（包括骨骼）也应如此，而现在只有不到一半的动物废弃物被用作肥料。

我们也必须处理生活污水，并循环利用固体废弃物中的磷。这个任务是艰巨的，因为残留的生物固体废弃物中包括许多污染物，特别是镉和铬等重金属，这些重金属是从破旧的污水管道中渗入固体废物的。要让农业长期可持续发展，我们应该重新开始努力，先将有毒物质从管道中淘汰。

我们排泄的磷一半存在于尿液中，这是相对容易循环利用的。分离人类的固态和液态排泄物可以在处理厂或源头完成，比如使用专门的厕所。尿液也富含氮，因此循环利用磷还有一个额外的优点：可以附带补充一些氮。目前氮主要从大气中提取，需要很高的能源成本。

发现新的磷矿资源也许可以缓解磷资源的耗竭，但无法完全阻止这一趋势。对于真正的可持续农业来说，必须无限期推迟磷的耗竭。只有当世界人口足够少，可以用天然的而且大都未经处理的低含量磷矿出产的磷就能养活的时候，无限期延迟才可能实现。同其他资源一样，根本的问题是地球到底能够养活多少人。

我们即将耗尽那些勘探相对容易和开采成本相对低廉的磷矿资源。乐观主义者也可能是对的，将来我们获得新资源会相对容易，磷短缺可以被逆转。但考虑到所面临的风险，我们不应该将我们的未来托付给运气。