磷危機日益逼近,土壤或隱藏解決方法

科羅拉多州戈爾登市的和諧花園，一位農民在種植菠菜之前播撒由骨粉顆粒和磷酸鹽組成的有機肥料。

攝影：JOE AMON，THE DENVER POST/GETTY IMAGES

撰文：JULIA ROSEN

一個陰天，Roger Sylvester-Bradley沿著山楂樹籬慢慢走，皮靴上沾上了一層厚厚的泥土，之後他走進一片平緩的大麥地。

他彎下腰，從麥地裡拔起一株到腳踝的幼苗，查看大麥細小的白根。他把幼苗拿在手裡轉動，說：「如果一棵作物缺磷，看起來絕不是這樣。」

對英國劍橋的農業諮詢公司ADAS的作物科學家Sylvester-Bradley來說，這確實讓人感到吃驚。磷是植物生長的重要營養成分，自然存在於土壤中。數百年來，農民們一直在向田地裡添加額外的磷以提高收成，但Sylvester-Bradley和同事們卻在研究如何用更少的磷生產糧食。

原因有二：首先，來自農場的磷素徑流導致了大範圍的水汙染。其次，我們沒有太多磷可供浪費。

今天農民使用的磷，以及我們在食物中吸收的磷，幾乎都開採於少數磷礦，主要位於美國、中國和摩洛哥。據估計，磷礦資源可能在50-100年內耗盡。地質學家知道其他的磷礦資源，但是這些磷礦很難開採，而且含磷較少。因此，磷的價格可能會上漲，進而導致種植者更加難以負擔起肥料，消費者也更難買得起食物。

在片田裡和英國的其他試點，Sylvester-Bradley和同事們已經為解決這個問題邁出了第一步：停止向一半的大麥地施用磷肥，以觀察大麥的生長情況。8年後，他們開始觀察這種方式對大麥尺寸和產量的影響。這些大麥依靠土壤中過剩的營養物質（所謂的「殘留磷」）生長，有些人認為這是解決磷問題的關鍵所在。

研究人員通過計算發現，在英國和美國這樣的國家，僅田地裡的磷就價值數十億美元，可幫助抵消對開採的磷的需求。使用這些磷還能抑制磷素徑流。

Roger Sylvester-Bradley檢查一株健康大麥的根部，尋找缺磷的跡象。這片大麥田已經近十年沒有使用肥料，但植物才剛開始顯示出輕微缺磷的徵兆。

攝影：JULIA ROSEN

對蘭卡斯特大學的土壤科學家、Sylvester-Bradley的合作者之一Paul Withers來說，利用殘留磷是一件無需思考的事情，繼續維持現狀將會導致生態和人道主義災難。「我們不能讓農業汙染環境，繼續按照現在的方式使用資源。這最終只會導致崩潰，」 Withers說。

一種「狡詐」的營養物質

磷是生命不可或缺的必需品。磷是DNA的重要組成元素，還是ATP（三磷酸腺苷，為細胞提供能量的分子）中的P。植物需要磷才能生長，這就是幾千年來農民一直給莊稼施加磷肥的原因。

起初，在不理解化學原理的情況下，人們使用糞肥和人類排洩物作為肥料。到了19世紀，農民認識到富含磷的骨頭和巖石也能起到肥料的作用。

John Bennet Lawes是一名從牛津大學輟學的學生，1842年，他申請了一項用酸處理新型磷礦物的方法專利，使磷更容易被作物吸收，很快他就開始銷售世界上第一種人造肥料。

Lawes將豐厚的利潤重新投入研究，研究地點是家族的鄉村莊園，這個莊園後來成為羅瑟斯塔研究中心。在研究中心，科學家們發現磷是一種有些「狡詐」的營養物質。

Lawes生產的肥料含有一種作物很容易吸收的可溶性無機磷。不過，一旦磷進入土壤，其中很大一部分就會與土壤礦物質發生反應，形成作物無法吸收的化合物。還有一部分則形成作物無法吸收的有機化合物。

通過這些觀察結果，科學家認為，農民不應該減少磷的使用。反之，他們應該加大磷的使用，尤其是在20世紀，全球的人口不斷增加，需要的糧食也隨之增多。

事實上，Withers曾經的工作就是傳播上述信息。上世紀80年代，作為政府的農業顧問，他駕駛一輛紅色沃爾沃旅行車行駛在英格蘭鄉村蜿蜒的道路上，告訴農民要確保作物獲得足夠的關鍵營養物質。

Withers稱這種方法為「保險耕作方式」，目前仍盛行於全球的許多地方。在歐洲，我們每從食物中吸收一公斤磷，農民就要使用大約4公斤磷。在美國，這一比例約為9比1；在中國，比例可能高達13比1。（當然，在一些農民未獲得足夠磷肥的地區，比如非洲和南美洲的許多地區，也存在例外。)

磷在食物生產和加工的許多階段都會流失。不過，隨著磷的獲取難度增加，價格的上漲，可能會破壞全球糧食系統的穩定，這些低效的使用方式帶來了一個問題，Withers說。「我們有點過頭，現在又將面臨新的威脅。」

更糟的是，一些未被吸收的肥料會在土壤中積累，在施肥很久之後引起環境問題，英國瓦林福德生態與水文中心的水化學工作者Helen Jarvie說。她的研究表明，磷肥會在幾十年內緩慢進入自然環境，破壞了土地所有者為減少肥料汙染而付出的努力。

即使是汙水和農場徑流中的少量磷，也足以產生藻華，使水道充滿綠色浮渣。就像伊利湖曾經發生的那樣，水藻有時會產生毒素，汙染飲用水，消耗水中的溶解氧，殺死魚類和其他水生生物。

一項研究表明，磷汙染影響了地球近40%的陸地區域。累計起來就會造成巨大的損失。據一項估計，僅在美國，過量的磷和氮（另一種關鍵營養物質）對水質和生態系統的影響每年就需要耗費22億美元。

對作物非常重要？

據Withers和其他科學家稱，如果殘留磷是一種環境負擔，那麼它也是一個巨大的機遇。他和同事在2015年的一項研究中計算出，英國農田中含有的磷價值超過100億美元，足以滿足該國54年的肥料需求。

2017年8月9日，在俄羅斯切列波韋茨的PhosAgro-Cherepovets化肥廠，一輛前懸式裝載機將磷酸氫二銨顆粒搬運到倉庫中。

攝影：ANDREY RUDAKOV，BLOOMBERG/GETTY IMAGES

許多其他國家也擁有類似的磷儲備。2012年的一項分析發現，全球土壤中含有的殘留磷足以使人類到2050年對肥料的需求減少一半。

新研究的第一作者Sheida Sattari說：「作物可以幫我們解決過去犯下的錯誤。」

從數據來看，殘留磷非常重要。不過，作物真的能依靠殘留磷生長嗎？研究表明，在長期過度使用磷的地方，比如英國，依靠土壤中累積的磷，作物可以長達10年或更久不需施肥。最極端的例子來自薩斯喀徹溫省，當地的研究人員自1995年以來就沒有向小麥試驗田裡施加磷肥。25年之後，他們依然沒有看到任何問題。

傳統的土壤化學測量方法建議他們應該施加更多的肥料，Barbara Cade-Menun說，她在加拿大的Swift Current研發中心監督這些實驗。「但我們的產量沒有變化。」

科學家們認為，當作物耗盡了田地裡容易吸收的磷，土壤礦物質和有機質就會釋放出更多的磷。Cade-Menun還不知道土壤化學、土壤微生物或作物本身的變化是否能解釋試驗田裡正在發生的事情。無論如何，研究結果表明，那些羅瑟斯塔研究中心的研究人員擔心的作物難以吸收的磷，並不像科學家們曾經認為的那樣「難以吸收」。

這意味著僅僅減少肥料的使用，就可以在不損害作物收成的情況下滿足磷的需求和減少磷素徑流。

更「聰明」的作物

然而，在某一時刻，隨著土壤磷素不斷下降，最終會使作物面臨磷肥不足的壓力。部分原因是一些土壤磷素無法被作物獲取，另一部分原因是許多現代作物無法吸收。

自然界磷的缺乏迫使野生植物發展做出策略，確保獲取足夠磷。許多植物進化出了廣泛的根系尋找磷元素。有些還可以分泌化學物質，促使土壤釋放出磷。

不過，大多數經濟作物不具備這些能力。科學家們在肥沃的土壤中培育作物，這樣就不需要它們耗費能量使用這些工具。此外，在資源豐富的世界裡，育種者並沒有選擇具有很強磷吸收能力的品種。蘭卡斯特大學的土壤科學家Phil Haygarth說，這樣做的結果是「大量快速生長的愚蠢作物」，而它們很難提取土壤中的磷。

研究人員現在想要創造更「聰明」的作物。2012年，科學家們在一種古老的日本水稻品種中發現了一種基因，這種基因可通過長出細根來增強其尋找磷的能力。研究人員隨後將這一特性植入現代水稻中。2019年，馬達加斯加（擁有自然貧瘠的土壤）的農民開始測試一些最有希望的品種。

羅瑟斯塔研究中心的研究員Sigrid Heuer幫助開展了這項水稻研究。作為國際小麥產量合作項目的一部分，他還在尋找小麥的類似基因。其他科學家則在培育不需要那麼多磷的作物品種。

除了育種之外，免耕農業可通過防止土壤壓實和促進根系生長，幫助作物獲得更多的殘留磷。在土壤中添加共生真菌可以擴展植物地下根系的活動範圍，在豆科植物和其他分泌促進磷釋放的化合物的作物旁種植作物可釋放出更多的磷。

為了探索這類方法，Withers和Sylvester-Bradley一直在降低試驗田中的磷含量。

由於農場所有權的變化，研究人員不得不放棄劍橋的大麥田。不過，在其餘的研究地點，磷含量終於下降到足夠低的水平，使得他們可以開展幫助作物儘可能多地吸收磷的實驗。第一項研究將比較現有商業小麥品種的表現。

為了等待土壤中的磷含量回落到自然水平，研究人員不得不等待比預期更長的時間（將近10年）。不過，Sylvester-Bradley說，僅憑這一事實就足以讓種植者放心，他們可以安全地減少磷肥的使用量。

「在我看來，農民們完全可以不必擔心。」

（譯者：流浪狗）