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农民|磷危机日益逼近，土壤或隐藏解决方法

农民|磷危机日益逼近，土壤或隐藏解决方法
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科罗拉多州戈尔登市的和谐花园 ， 一位农民在种植菠菜之前播撒由骨粉颗粒和磷酸盐组成的有机肥料 。
摄影：JOE AMON ， THE DENVER POST/GETTY IMAGES
【农民|磷危机日益逼近，土壤或隐藏解决方法】撰文：JULIA ROSEN
一个阴天 ， Roger Sylvester-Bradley沿着山楂树篱慢慢走 ， 皮靴上沾上了一层厚厚的泥土 ， 之后他走进一片平缓的大麦地 。
他弯下腰 ， 从麦地里拔起一株到脚踝的幼苗 ， 查看大麦细小的白根 。 他把幼苗拿在手里转动 ， 说：“如果一棵作物缺磷 ， 看起来绝不是这样 。 ”
对英国剑桥的农业咨询公司ADAS的作物科学家Sylvester-Bradley来说 ， 这确实让人感到吃惊 。 磷是植物生长的重要营养成分 ， 自然存在于土壤中 。 数百年来 ， 农民们一直在向田地里添加额外的磷以提高收成 ， 但Sylvester-Bradley和同事们却在研究如何用更少的磷生产粮食 。
原因有二：首先 ， 来自农场的磷素径流导致了大范围的水污染 。 其次 ， 我们没有太多磷可供浪费 。
今天农民使用的磷 ， 以及我们在食物中吸收的磷 ， 几乎都开采于少数磷矿 ， 主要位于美国、中国和摩洛哥 。 据估计 ， 磷矿资源可能在50-100年内耗尽 。 地质学家知道其他的磷矿资源 ， 但是这些磷矿很难开采 ， 而且含磷较少 。 因此 ， 磷的价格可能会上涨 ， 进而导致种植者更加难以负担起肥料 ， 消费者也更难买得起食物 。
在片田里和英国的其他试点 ， Sylvester-Bradley和同事们已经为解决这个问题迈出了第一步：停止向一半的大麦地施用磷肥 ， 以观察大麦的生长情况 。 8年后 ， 他们开始观察这种方式对大麦尺寸和产量的影响 。 这些大麦依靠土壤中过剩的营养物质（所谓的“残留磷”）生长 ， 有些人认为这是解决磷问题的关键所在 。
研究人员通过计算发现 ， 在英国和美国这样的国家 ， 仅田地里的磷就价值数十亿美元 ， 可帮助抵消对开采的磷的需求 。 使用这些磷还能抑制磷素径流 。
农民|磷危机日益逼近，土壤或隐藏解决方法
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Roger Sylvester-Bradley检查一株健康大麦的根部 ， 寻找缺磷的迹象 。 这片大麦田已经近十年没有使用肥料 ， 但植物才刚开始显示出轻微缺磷的征兆 。
摄影：JULIA ROSEN
对兰卡斯特大学的土壤科学家、Sylvester-Bradley的合作者之一Paul Withers来说 ， 利用残留磷是一件无需思考的事情 ， 继续维持现状将会导致生态和人道主义灾难 。 “我们不能让农业污染环境 ， 继续按照现在的方式使用资源 。 这最终只会导致崩溃 ， ” Withers说 。
一种“狡诈”的营养物质
磷是生命不可或缺的必需品 。 磷是DNA的重要组成元素 ， 还是ATP（三磷酸腺苷 ， 为细胞提供能量的分子）中的P 。 植物需要磷才能生长 ， 这就是几千年来农民一直给庄稼施加磷肥的原因 。
起初 ， 在不理解化学原理的情况下 ， 人们使用粪肥和人类排泄物作为肥料 。 到了19世纪 ， 农民认识到富含磷的骨头和岩石也能起到肥料的作用 。
John Bennet Lawes是一名从牛津大学辍学的学生 ， 1842年 ， 他申请了一项用酸处理新型磷矿物的方法专利 ， 使磷更容易被作物吸收 ， 很快他就开始销售世界上第一种人造肥料 。
Lawes将丰厚的利润重新投入研究 ， 研究地点是家族的乡村庄园 ， 这个庄园后来成为罗瑟斯塔研究中心 。 在研究中心 ， 科学家们发现磷是一种有些“狡诈”的营养物质 。
Lawes生产的肥料含有一种作物很容易吸收的可溶性无机磷 。 不过 ， 一旦磷进入土壤 ， 其中很大一部分就会与土壤矿物质发生反应 ， 形成作物无法吸收的化合物 。 还有一部分则形成作物无法吸收的有机化合物 。
通过这些观察结果 ， 科学家认为 ， 农民不应该减少磷的使用 。 反之 ， 他们应该加大磷的使用 ， 尤其是在20世纪 ， 全球的人口不断增加 ， 需要的粮食也随之增多 。
事实上 ， Withers曾经的工作就是传播上述信息 。 上世纪80年代 ， 作为政府的农业顾问 ， 他驾驶一辆红色沃尔沃旅行车行驶在英格兰乡村蜿蜒的道路上 ， 告诉农民要确保作物获得足够的关键营养物质 。
Withers称这种方法为“保险耕作方式” ， 目前仍盛行于全球的许多地方 。 在欧洲 ， 我们每从食物中吸收一公斤磷 ， 农民就要使用大约4公斤磷 。 在美国 ， 这一比例约为9比1；在中国 ， 比例可能高达13比1 。 （当然 ， 在一些农民未获得足够磷肥的地区 ， 比如非洲和南美洲的许多地区 ， 也存在例外 。 )
磷在食物生产和加工的许多阶段都会流失 。 不过 ， 随着磷的获取难度增加 ， 价格的上涨 ， 可能会破坏全球粮食系统的稳定 ， 这些低效的使用方式带来了一个问题 ， Withers说 。 “我们有点过头 ， 现在又将面临新的威胁 。 ”
更糟的是 ， 一些未被吸收的肥料会在土壤中积累 ， 在施肥很久之后引起环境问题 ， 英国瓦林福德生态与水文中心的水化学工作者Helen Jarvie说 。 她的研究表明 ， 磷肥会在几十年内缓慢进入自然环境 ， 破坏了土地所有者为减少肥料污染而付出的努力 。
即使是污水和农场径流中的少量磷 ， 也足以产生藻华 ， 使水道充满绿色浮渣 。 就像伊利湖曾经发生的那样 ， 水藻有时会产生毒素 ， 污染饮用水 ， 消耗水中的溶解氧 ， 杀死鱼类和其他水生生物 。
一项研究表明 ， 磷污染影响了地球近40%的陆地区域 。 累计起来就会造成巨大的损失 。 据一项估计 ， 仅在美国 ， 过量的磷和氮（另一种关键营养物质）对水质和生态系统的影响每年就需要耗费22亿美元 。
对作物非常重要？
据Withers和其他科学家称 ， 如果残留磷是一种环境负担 ， 那么它也是一个巨大的机遇 。 他和同事在2015年的一项研究中计算出 ， 英国农田中含有的磷价值超过100亿美元 ， 足以满足该国54年的肥料需求 。
农民|磷危机日益逼近，土壤或隐藏解决方法
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2017年8月9日 ， 在俄罗斯切列波韦茨的PhosAgro-Cherepovets化肥厂 ， 一辆前悬式装载机将磷酸氢二铵颗粒搬运到仓库中 。
摄影：ANDREY RUDAKOV ， BLOOMBERG/GETTY IMAGES
许多其他国家也拥有类似的磷储备 。 2012年的一项分析发现 ， 全球土壤中含有的残留磷足以使人类到2050年对肥料的需求减少一半 。
新研究的第一作者Sheida Sattari说：“作物可以帮我们解决过去犯下的错误 。 ”
从数据来看 ， 残留磷非常重要 。 不过 ， 作物真的能依靠残留磷生长吗？研究表明 ， 在长期过度使用磷的地方 ， 比如英国 ， 依靠土壤中累积的磷 ， 作物可以长达10年或更久不需施肥 。 最极端的例子来自萨斯喀彻温省 ， 当地的研究人员自1995年以来就没有向小麦试验田里施加磷肥 。 25年之后 ， 他们依然没有看到任何问题 。
传统的土壤化学测量方法建议他们应该施加更多的肥料 ， Barbara Cade-Menun说 ， 她在加拿大的Swift Current研发中心监督这些实验 。 “但我们的产量没有变化 。 ”
科学家们认为 ， 当作物耗尽了田地里容易吸收的磷 ， 土壤矿物质和有机质就会释放出更多的磷 。 Cade-Menun还不知道土壤化学、土壤微生物或作物本身的变化是否能解释试验田里正在发生的事情 。 无论如何 ， 研究结果表明 ， 那些罗瑟斯塔研究中心的研究人员担心的作物难以吸收的磷 ， 并不像科学家们曾经认为的那样“难以吸收” 。
这意味着仅仅减少肥料的使用 ， 就可以在不损害作物收成的情况下满足磷的需求和减少磷素径流 。
更“聪明”的作物
然而 ， 在某一时刻 ， 随着土壤磷素不断下降 ， 最终会使作物面临磷肥不足的压力 。 部分原因是一些土壤磷素无法被作物获取 ， 另一部分原因是许多现代作物无法吸收 。
自然界磷的缺乏迫使野生植物发展做出策略 ， 确保获取足够磷 。 许多植物进化出了广泛的根系寻找磷元素 。 有些还可以分泌化学物质 ， 促使土壤释放出磷 。
不过 ， 大多数经济作物不具备这些能力 。 科学家们在肥沃的土壤中培育作物 ， 这样就不需要它们耗费能量使用这些工具 。 此外 ， 在资源丰富的世界里 ， 育种者并没有选择具有很强磷吸收能力的品种 。 兰卡斯特大学的土壤科学家Phil Haygarth说 ， 这样做的结果是“大量快速生长的愚蠢作物” ， 而它们很难提取土壤中的磷 。
研究人员现在想要创造更“聪明”的作物 。 2012年 ， 科学家们在一种古老的日本水稻品种中发现了一种基因 ， 这种基因可通过长出细根来增强其寻找磷的能力 。 研究人员随后将这一特性植入现代水稻中 。 2019年 ， 马达加斯加（拥有自然贫瘠的土壤）的农民开始测试一些最有希望的品种 。
罗瑟斯塔研究中心的研究员Sigrid Heuer帮助开展了这项水稻研究 。 作为国际小麦产量合作项目的一部分 ， 他还在寻找小麦的类似基因 。 其他科学家则在培育不需要那么多磷的作物品种 。
除了育种之外 ， 免耕农业可通过防止土壤压实和促进根系生长 ， 帮助作物获得更多的残留磷 。 在土壤中添加共生真菌可以扩展植物地下根系的活动范围 ， 在豆科植物和其他分泌促进磷释放的化合物的作物旁种植作物可释放出更多的磷 。
为了探索这类方法 ， Withers和Sylvester-Bradley一直在降低试验田中的磷含量 。
由于农场所有权的变化 ， 研究人员不得不放弃剑桥的大麦田 。 不过 ， 在其余的研究地点 ， 磷含量终于下降到足够低的水平 ， 使得他们可以开展帮助作物尽可能多地吸收磷的实验 。 第一项研究将比较现有商业小麦品种的表现 。
为了等待土壤中的磷含量回落到自然水平 ， 研究人员不得不等待比预期更长的时间（将近10年） 。 不过 ， Sylvester-Bradley说 ， 仅凭这一事实就足以让种植者放心 ， 他们可以安全地减少磷肥的使用量 。
“在我看来 ， 农民们完全可以不必担心 。 ”
（译者：流浪狗）


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