热门TAG:
  • 入侵生物
  • 薇甘菊
  • 转基因
  • 试纸
  • 快速检测
  • 入侵物种
  • 厦门
  • 防范
  • 环保
  • 洋垃圾
  • 污染源
  • 污染地图
  • 新烟碱类农药
  • 当前位置: 6维度 > 环境健康 > 环境健康·综合 > 正文

    磷的悖论: 磷作为关键养分的稀缺和过多

    时间:2011-11-14 15:20来源:Environ Health Perspect 119:32 作者:Tim Lougheed 浏览: 次    收藏 挑错 推荐 打印
    摘要:磷, 地壳中最常见的元素之一, 被科学作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)称为“生命中的瓶颈资源”。“生命可以持续地繁衍, 直到我们用光了所有的磷, 到那时生命的进程会戛然而止, 没有什么可以阻止这种情况的发生。”

     

        在带领美国顺利度过经济大萧条和激励美国加入欧洲反法西斯战争期间,时任总统富兰克林​·罗斯福 (Franklin Roosevelt)在1938年与国会讨论到磷的问题。更为具体的,他谈到了磷酸盐​,磷最常见的商用形式。

        罗斯福不是作有关磷的科学报告, 而是建议在农业生产中谨慎使用该元素。他警告说, 私人利益促使美国向国外市场出口越来越多的磷酸盐。鉴于这种肥料的重要成分可能在美国​国内出现供不应求, 罗斯福建议制定一个正式的政策来处理这个战略问题。

       “全民都应该关注磷酸盐沉积的处置问题, ”他说。“在使用广大的国家资源上, 这个策略显示了我们的先见之明, 这在我们国家发展计划中几乎从未有过。”

        尽管有罗斯福的号召, 但仍未推动处理磷酸盐沉积政策的制定。七十余年过去了, “迄今几乎无人知晓”这一说法仍然多次出现在许多关于磷的讨论中。同时, 如今磷酸盐的重要性相比其在20世纪30年代的时候更为深远。磷矿石已经成为全球交易​的商品, 引发了充满政治色彩的各种话?的辩论, 这些话题从环境退化和威胁人类健康到粮食安全和农业主权。

    “生命中的瓶颈资源” 

        磷, 地壳中最常见的元素之一, 被科学作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)称为“生命中的瓶颈资源”。“生命可以持续地繁衍, 直到我们用光了所有的磷, 到那时生命的进程会戛然而止, 没有什么可以阻止这种情况的发生, ”他写道。“我们可以用核能来替代煤炭, 用塑料来替代木材, 用酵母来替代肉类, 用友谊来替代孤立, 但对于磷来讲, 既没有替代品, 也不能被某种物质所替换。”

        阿西莫夫指出, 紫花苜蓿在含0.1%磷的土壤中能茁壮生长, 该植物本身就含有0.7%的磷。如此高的磷含量决定了该元素不仅是植物生长过程中的主​导因素, 而且是一种不可替代的元素成分。没有任何已知的原料添加——无论是天然的抑或是合成的​——可以用来替代磷的作用。

        虽然识别磷这种化学元素只有短短几个世纪的历史, 但它早已通过作物留茬和给农作物施粪肥的方式贯穿在整个农业史中。目前仍有这种传?的​做法, 而整个二十世纪磷矿开采的增加稳步提升了农作物的产量。含有高浓度磷、氮、钾的化肥的​使用将植物的生长速度提高到前所未有的水平, 尤其是在本身就缺乏这些成分的热带土壤内。

    thumbnail

     

    虽然磷是地球上最常见的元素之一, 但只有一小部分是可供人类使用的。(资料来源:Schröder et al.)

     

    著名的“绿色革命”是在20世纪40年代开始的, 但其真正腾飞则是在20世纪60年代。在此之前, 农民们使用化肥养活的人数达到了史无前例的水平。那些在20世纪初已经叫嚷地球10亿​人已经太多的末日论者们, 如果看到千禧年之际地球人口已超过了60亿, 一定会惊讶不已。

        农业生产不仅仅是能保持人口的稳步增长, 而是能促进人口的快速上涨。2010年, 随着全球人口逼近70亿, 联合国粮农组织(tFood and Agriculture Organization of the United Nations)报告说, 世界范围内, 营养不良的绝对人数较前一年有所下降——虽然这一数字仍然徘徊在9.25亿。

         很少有人提及磷在营养不良人口数量的下降中的贡献, 但如果没有含磷化肥的广泛应用, 这个发展是不可想象的。正如罗斯福在国会上的演说所表达的那样, 早在20世纪30年代, 磷资源的重要性就已确立。悉尼理工大学(University of Technology, Sydney)可持续发展研究所(Institute for Sustainable Futures)的研究员、全球磷研究倡议(Global Phosphorus Research Initiative)的发起人之一Dana Cordell认为, 现今全球磷矿石的生产量已高达过去的13倍, 虽然人们对于地壳内剩余磷的量的估计有所不同。

        Cordell进行了一项更为有决定性的尝试以确定那些数字。在她的倡议下, 该领域的研究人员没有将磷视为深奥的生化瓶颈, 而将其视为应该占据许多不同科学和政策讨论中心的一种物质。

        “磷在当今社会中扮演着许多角色——无论是想要的还是不想要的, ”她在2010年写道。“在任何时刻, 磷都能在不同时间和地理范围内满足许多不同的功效:以ATP的形式传输瞬间信号到大脑​, 或以Ca3(PO4)2分子的形式存在于富含磷灰石的磷矿中, 这种磷矿石需要数百万年的时间才能形成, 并等待着被提取, 或逐渐地被植物根系通过化学扩散作用从土壤中吸收, 或随尿液从我们体内排出, 冲入下水道被稀释后随着其他家庭和工业废水进入遥远的污水处理厂, 造成蓝藻富营养化从而污染水体, 抑或是在土地、生物和水体间自然循环, 根本未被大多数人所关注。”

    过犹不及

        尽管有作为生命基本元素的优点, 磷也是一种广为人知的污染物。在农村, 磷会随着农田的径流定期流入受体水域, 在城市, 磷作为人类排泄物的主要组成部分被冲入厕所进入污水中。无论在农村还是在城市, 磷能过度升高当地的营养水平, 促使湖泊和河流中的藻类大量繁殖, 这一过程被称为富营养化作用。

        这种过度的藻类生长最终能降低水中的氧含量, 从而使得某些鱼类不能长期生存。20世纪70年代, 伊利湖(Lake Erie)就出现过这种情况, 这引起了阿尔伯塔大学(University of Alberta)生物学家David Schindler的关注。他把安大略省北部的一个小的测试湖用一个被淹没的窗帘分为​两部分, 并以此证实市政污水流中出现的磷酸盐洗涤剂是伊利湖问题的始作俑者。随后洗涤剂制造商​被说服严格限制其产品中磷酸盐的量, 从而大大地减少了水体的富营养化程度。

        从那时起, Schindler继续研究富营养化对水生环境和人类健康造成的持续问题。“很显然, 诸如粪肥浇灌农田等生物废弃物处理行为可同时增加地表水中磷、氮的负荷, 并可能会在水表增加大肠菌群的潜在危害”, 他和合作者Val Smith在2009年写道。“然而, 营养负荷增加的本身也可能会影响到已经居于水生生态系统内的病原体的丰度、组成、毒性​和生存”。

        日本的一个非政府组织——国际湖泊环境委员会(International Lake Environment Committee, ILEC)自1986年以来已对217个大型淡水水体的健康进行了调查, 发现不仅仅是伊利湖在面临着生化挑战。在1988年至1994年的5个出版物中, ILEC报道说, 在在二十世纪后半叶, 世界各地的湖泊都面临着同样的问题。尽管在其中的66个湖泊中, 当地施行的措施最终降低了营养成分的输入水平, 但现有数据表明, 与几十年前相比, 所有这些湖泊所保留的营养水平都高得多。

    thumbnail

     

    红色箭头显示磷流动的主要方向。黄色箭头显示作物和土壤系统中磷的回收, 以及向水体的移动。灰色箭头显示磷通过垃圾填埋场的食品废弃物损失。(资料来源:UN​EP)

     

        这一变化所造成的影响远不止有碍美景的观瞻。在2009年《环境科技》(Enviro​nmental Science & Technology)上发表的一篇综述中, 把美国每年因湖泊富营养化造成的损失费用保守估算为22亿美元。这一估算值的大部分是​用以支付水岸景观财产和游乐生意的损失, 研究人员将8.13亿美元的损失分配给因不能接受富营养化水体的味道和气味而改用瓶装​水的需求。“这个估计纯粹是基于对瓶装饮用水的成本考虑, 而没有考虑到诸如建造水井或从其他地方将饮用水引过来等替代饮用水的额外费用, ”作者Walter K. Dodd及其同事们说道。他们曾对241所供水设施进行了调查。

        至于其他与健康有关的成本, 作者们指出, “对于人类来说, 蓝藻水华能引起疾病, 但很少会导致病人死亡。我们并没有包括人类健康成本, 因为与我们所调查的其他因素相比, 人类健康成本是次要的。尽管如此, 人们可能还是愿意花费大量的金钱来免受有毒水华对其健康的影响。”

        即使磷能作为肥料使用, 但它可能会引起人类医疗成本的支出。例如, 在磷矿存在的地方, 可能会共存数量不等的重金属。受欧盟环境总局(EU Directorate-General for the Environment)委托、由瓦赫宁根大学(Wageningen University)和斯德哥尔摩环境研究所(Stockholm Environment Institute)联合发布的2010年报告中表示了对镉的即刻关注, 镉是自然存在于磷矿石沉积物中的一种广为人知的肾、骨和肺毒物。磷酸盐肥料被认为是农​田土壤内镉的主要来源。

        磷酸盐沉积物中的含镉量在各个地区的差异很大。例如, 在南非的火成岩地质带, 每公斤磷可能仅含0.04~4.0毫克的镉, 而在塞内加尔的沉积层, 这一比例一跃升至71~148 mg/kg16。

        欧盟环境总局的报告认同了国际化肥工业协会(International Fertilizer Industry Association)的结论, 认为世界范围内农业土壤中镉的缓慢积累并没有达到要采取控制措施的程度。一项为期两年​的、对同一块土壤中镉从化肥传输至生菜中的速率进行的现场研究随后证实了这一结论, 该研究分两部分发表于2004年的《水、空气和土壤污染》(Water, Air and Soil Pollution)杂志上。这项研究发现, 从长期效应来看, 三重过磷酸钙实际降低了镉转移到土壤中的效率。

        然而, 去年同期出版在同一刊物上的一篇研究镉在土豆中的转移效率的研究结果则告诫我们要慎用​富含磷酸盐的肥料。“被发现有高水平重金属的地区应避免种植土豆, 因为实际上, 相较于其他类型的植物, 土豆更倾向于累积重金属, ”Emine Erman Kara及其同事写道。“酸性土壤应该用石灰进行处理, 使得通过土壤—植物途径被植物吸收的重金属的速度可能会放缓。此外, 这种方法也能防止在该地区的地下水资源免受重金属的污染, 特别是在酸性地区。”

        2010年欧盟环境总局的报告还列举了欧洲委员会(European Commission)2000年的一份报告, 建议镉在肥料的水平可以用法规明确规定在欧盟范围内使用的磷酸盐肥料必须经过处理, 移除几乎所有的金属成分。这种加热以消除镉的方法是可行的, 但却非常昂贵。这意味着, 生产更利于健康的肥料可能会让那些缺乏经费的农民难以买到必需的化肥。

    分配不均 

        对于那些没有足够磷矿资源的国家的农民, 缺乏购买化肥的经费已经成为现实。这里存在两个独立但又相互关联的问题, Cordell说。首先, 在缺磷土地上耕作的贫困农民无缘进入化肥市场, 特别是在撒哈拉以南非洲地区。第二点, 仅少数国家控制着世界范围内剩余的磷矿储量, 这就使得依赖于磷进口的国家容易受到价格和库存波动的影响。没有足够磷矿资源的国家多​不胜数, 而世界上最大的磷储备国则相对较少。据2010年美国地质调查局(U.S. Geological Survey, USGS)的估计, 世界磷矿储量的93%仅仅属于如下6个国家, 摩洛哥、中国、阿尔及利亚、南非、叙利亚和约旦, 仅摩洛哥就存有全球83%以上的磷矿资源。

        最近, 国际肥料发展中心(International Fertilizer Development Center, IFDC)基于文献调查做出的估计, 将全球磷矿总量大幅提升至USGS所估计数字的3倍多。这一增幅的大部分来自于摩洛哥​的磷储备数据, 约占全球总量的85%。IFDC报告的作者Steven van Kauwenbergh承认, 这两个估计值之间存在实质上的差别, 同时他也承认目前缺乏可靠的、可公开获得的数据, 所以他呼吁除了磷酸盐工业的人员以外, 还应让更多的观察员以更为全面的方法对其进行评估。

    thumbnail

     

    一片临近收获的玉米田

     

       “要想对世界磷矿资源作出更明确的估计, 需要磷酸岩生产商、政府机构、国际组织和学术界之间的协同努力, ”他在报告中写道。Van Kauwenbergh进一步坚持说, 尽管报告中给出的数据存在局限性, 但按照目前的化肥生产速度, 磷矿储备量可保证几个世纪的化肥生产。

       但是, 这一预测并不能使每个人都满意。在2011年4月的一份对IFDC报告的批判文稿中, Cordell及其同事对“100%的储备都是可获得的”和“消费量不会增长”的假设​提出了质疑。此外, 他们写道, “世界上剩余的磷矿储量中磷的浓度在下降, 杂质越来越多, 越来越难进行提取, 对于这一点, 人们已经达成了共识。同时, 磷酸提取日益产生更多的污染和浪费, 每单位营养价值需要更多的能量, 而且开采和处理过程的成本也越来越高。”

       James Elser, 原来是研究水生生物的, 现对于能源和特定化学物如何在环境转运方面的研究饶有兴趣。磷是现在其综合生物化学计​量研究工作的主要课题, Elser的研究重点是过度使用磷会如何扰乱其在环境中的自然流通。

        Elser和美国亚利桑那州立大学(Arizona State University)的几个同事成立了可持续发展的磷倡议计划(Sustainab​le Phosphorus Initiative), 提出应重视长期使用这种商品所带来的问题。2011年2月, 他们努力促成了可持续发展磷峰会(Sustainable Phosphorus Summit), 为期3天的会议吸引了100多名科学家、工程师、农民和企业家到会。

        “本次峰会的特点是其参与性、跨学科性和创造性, 参与者从各自不同的背景的角度来分享他们在全球磷挑战方面的知识和观点, ”Cordell在谈到这次会议时说道。“这次会议是非常具有实效的, 就我们如何能向可持续发展的方向前进达成了战略性的意见。”

        这些战略性意见包括, 最大限度地减少磷在农业上的使用量, 在磷进入环境之前修复径流, 甚至是将磷回收再利用。Elser补充说道, 在寻求更加协调的办法来对磷进行环境管理这个问题上不能操之过急。“我们要对磷循环负​责, ”他指出。“我们所产生的通量比天然通量要大得多。这不可能运行生物地球化学循环的。​”

     
    Add a note to this text.
    Please follow our guidelines for notes and comments and review our competing interests policy. Comments that do not conform to our guidelines will be promptly removed and the user account disabled. The following must be avoided:
    • Remarks that could be interpreted as allegations of misconduct
    • Unsupported assertions or statements
    • Inflammatory or insulting language
     
     
    Add a note to this text.
    You must be logged in to add a note to an article. You may log in by clicking here or cancel this note.
     
     
    Add a note to this text.
    You cannot annotate this area of the document. Close
     
     
    Add a note to this text.
    You cannot create an annotation that spans different sections of the document; please adjust your selection.
    Close
     

     

    (责任编辑:窦虹)

    分享到:

    数据统计中!!
    发表评论
    请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
    评价:
    用户名: 验证码:点击我更换图片
    点击访问6维度意课公开课
    6维专题
    水—人类存在的根本
    1977年召开的“联合国水事会议”,向全世
    日光照明系统——让阳光为我所用
    公元前1000年,在世界上许多民族还处在钻
    转基因与生物安全
    崔永元从美国回来了,跟着他一起回来的
    返回首页 | 加入收藏 | 关于我们 | 加入6维度 | 广告服务 | 友情链接 | 免责声明 |
    Copyright ©  6weidu.com   技术支持:意酷网络
    滇ICP备11002274号  公安备案:53010203302087    
    sitemap:XML version HTML version