磷 是許多細胞化合物中所含的必需元素,例如 DNA 和 能量載體ATP。 所有生命都需要磷,當磷添加到生長的植物和牲畜的飲食中時,農業產量就會提高。 因此,它在全球範圍內被用作肥料,並在滿足世界糧食需求方面發揮著重要作用。
然而,為了添加它,我們首先需要從濃縮形式中提取它——而供應幾乎完全來自 摩洛哥的磷礦 (來自中國、美國、約旦和南非的數量要少得多)。 在摩洛哥境內,大部分礦山都位於 西撒哈拉前西班牙殖民地,1975年被摩洛哥吞併。
一個事實,即 佔全球供應量的70%以上 來自這個單一地點是有問題的,特別是當科學家警告我們正在接近時 “磷峰值”,需求開始超過供應的點, 集約農業 不能繼續 提供當前收益率。 在最壞的情況下,可開採儲量可能會在 年僅 35 歲.
那麼到底發生了什麼事——應該有多擔心呢?
自然限制
在自然界中,磷僅與氧結合存在,稱為磷酸鹽。 它就是以這種形式開采的。 化學家可以除去與其結合的氧,得到元素白磷,它在黑暗中發光,但它非常不穩定,一旦暴露在空氣中就會自燃。
磷酸鹽很容易通過土壤或水擴散,並可以被細胞吸收。 當磷酸鹽遇到游離鈣或鐵時,它們結合生成高度不溶的鹽。
19 世紀上半葉,尤斯特斯·馮·李比希 (Justus von Liebig) 推廣了 最小法則 對於農業來說,它指出增長受到最少可用資源的限制。 人們很快發現這通常是某種形式的磷。
結果,來自舊戰場的骨頭(主要由鈣和磷酸鹽組成)被挖出來用於農業。 鳥糞大量積累的鳥糞也含有高濃度的磷,被用來給農作物施肥。 但這種物資的供應很快就耗盡了。 隨著需求的增加,必須開採供應品。
但這種施用的無機磷肥流動性很強,會滲入水道。 此外,磷酸鹽岩石會風化並最終被沖入海洋,在那裡它要么以磷酸鈣的形式沉積,要么被海洋生物吸收,這些海洋生物在死亡時最終也沉積在海底。 因此,地球上的磷並沒有真正消失,但它可能會超出我們的範圍。
自然浪費
更複雜的是,即使我們可以使用的磷也大部分被浪費了。 在作為肥料開采的磷中,僅 五分之一到達我們吃的食物。 有些被濾掉,有些則與土壤中的鈣和鐵結合。 一些植物的根部有能力提取後者,但數量不足以提取全部。
除了這些無機形式之外,磷酸鹽也會轉化為細胞化合物,產生有機結合的磷,例如 磷脂 or 植酸。 生物體死亡後,這些有機磷化合物需要恢復為可用的磷酸鹽形式。 土壤中存在多少有機結合磷取決於能夠做到這一點的生物體的數量和活性。
農業土壤通常富含無機磷,而在森林和長期牧場等未受干擾的生態系統中,有機結合磷占主導地位。 但農業用地在收穫和犁耕等土地管理實踐中往往會耗盡磷,因此需要添加含磷酸鹽的肥料。
撒施肥料和避免耕作是增加土壤中微生物豐度的方法,從而使更多的磷保持在有機結合的形式。
可以通過一些簡單的解決方案來應對磷峰值的風險。 少吃肉是一個開始,因為大量的肉被用來飼養 肉類牲畜。 農業產量很可能受到磷供應量的限制,並且隨著全球人口的增長,農業產量將進一步捉襟見肘。
人類本身就浪費了磷,因為我們攝入的大部分磷都會直接排出體外。 幸運的是,技術已經發展到 從污水中提取磷,但目前價格太高,不實用。
磷達到峰值並不意味著磷會消失,而是意味著可開采的高濃度磷儲量正在耗盡。 相反,我們正在增加磷的背景濃度並將其添加到海底。 更可持續的磷利用需要對構成土壤的許多生物體以及它們在磷分佈中所發揮的作用有更多的認識和了解,否則我們可能無法再以負擔得起的價格養活世界。
關於作者
維拉·托斯,化學講師, 班戈大學
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