磷峰值

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美国地质调查局统计的1900年-2016年全球磷灰石产量[1]

磷峰值[2](英語:Peak phophorus)描述人类为开采工业和商业原材料达到最高磷产率的时间点,这一说法受到石油峰值(哈伯特顶点)理论的启发。[3]在2010年左右,曾经有过关于磷峰值是否即将到来的讨论,但当美国地质调查局提高了可开采磷资源的预估量后,讨论才逐渐平息。[4]

磷是在地球地壳和生物体中广泛分布的资源,但因其并非在地球上平均分布,故而集中率低,极为珍稀。开采磷矿中的磷灰石是目前唯一经济的产磷方案,然而只有摩洛哥中国阿尔及利亚叙利亚等国拥有大量磷矿石。对未来产量的预估依数据模型的不同和可开采量的判断大相径庭。不可否认的是,在可以预见的将来,摩洛哥将显著影响今后的磷矿石产量。[5]

因为磷的生物地球化学循环不包含气态,所以除了采矿外几乎没有其他适合的商业制磷方法。[6]一些研究人员认为,地球上可供商业开采、成本低廉的磷资源预计将在50-100年后枯竭,磷峰值将会出现在2030年[3][7];另一些人员则相信地球的磷资源还可供开采几百年[8]。正如对石油峰值的预估一样,磷峰值将何时出现的问题仍然没有准确的答案,而不同领域的学者们会定期发布磷矿石保有量的最新评估。[4]

背景[编辑]

磷峰值的提出基于地球临界理论英语Planetary boundary。这一理论为工业革命以来人类活动对自然的影响的9个方面划分了临界点,只要人类把活动控制在临界点内,人类就能“安全”地在地球上生存。[4]磷峰值属于其中一个方面。

全球磷保有量的估算[编辑]

美国自1900-2015年间的磷矿开采量
2016年全球商业磷矿石保有量[9]

磷峰值究竟将于何时到来取决于全球可用的磷资源(尤其是磷灰石)保有量。保有量指的是以目前的市场价能够开采的设想量,而资源指的是合理期望下可经济实惠地提取的磷矿。[10][11]

按质量计算,未经处理过的磷灰石中约含有1.7%-8.7%的磷(五氧化二磷含有4%-20%的磷);比较起来,一般岩石中含有约0.1%的磷[12],而绿色植物含有0.03%-0.2%[13]。这意味着,尽管地壳含有大概吨的磷[14],但选择开采这些材料并不实惠。

美国地质调查局在2017年指出,全世界范围内可供经济开采的磷保有量为680亿吨,而2016年世界矿业产量仅为2亿6100万吨。[15]假设保有量不再增长,现有的磷仍足够开采260年。这与国际肥料发展中心英语International Fertilizer Development Center(IFDC)在2010年的报告内容大体吻合。[8][16]然而具体的数量仍然未知,且仍处于争议之中。[10][17][18]科学新闻记者娜塔莎·吉尔伯特认为外部缺少对估计量的证实。[19]2014年的一份评论[4]总结IFDC的报告称,其“过高估计了磷的保有量——尤其是在摩洛哥的保有量,因为他们把那里假想的、推定的资源当成了实际存在的东西”。

磷灰石短缺会显著影响世界食品安全[20]许多农业系统依赖以磷灰石为原料的无机肥。在农业系统不改变的前提下,肥料供应就会不足,进而导致食物短缺。[21]经济学家认为,磷灰石的价格波动不一定暗示磷峰值何时到来,因为价格是随着供求双方的各种因素而随时改变的。[22]

鸟粪下的磷资源[编辑]

西班牙作家加西拉索在其著作《印卡王室述评》(1609)中描述了印加人在西班牙人前来殖民前的农业实践,如使用海鸟粪作肥料等。[23]

19世纪早期,亚历山大·冯·洪堡在南美洲岛屿上发现鸟粪后将这种施肥方法带给欧洲。据报道,鸟粪被发现时已经在岛上积攒了30米深。[24]莫切人发掘了这个鸟粪“矿”,并把鸟粪带回秘鲁。而真正意义上的鸟粪国际贸易于1840年才开始。

节约和回收磷[编辑]

美国爱达荷州的孟山都公司的一间磷处理厂

如同其他元素,磷可以在食物网上沿着营养级流动,进入世界各地人们的消化系统。消化吸收完成后,人的室外排泄英语open defecation会让磷元素重归自然世界以被大豆等作物吸收,或是通过下水道、污水处理厂进入江河湖海,加入生物圈水循环。为了推迟磷峰值的到来,农业和卫生领域已有多种重复利用磷元素、减少磷排放的做法。英国的有机农业认证组织土地联盟英语Soil Association在2010年发布了鼓励进一步回收利用磷资源的报告。[24]有学者认为,解决磷资源短缺的有效方法之一就是加强回收人和动物的排泄物。[25]

农业生产[编辑]

减少土地流失和侵蚀能够降低农民施磷肥的频率。进行无耕作农业英语no-till farming、使用梯田、种植防风林都是已知的降低磷流失的办法。这些办法仍然需要农民定期在田地里加入磷石才能发挥作用;而回收已经流失的磷资源的其他方案尚在建议阶段。如草地和森林等常青植物分布的土地,吸收磷的效率通常比耕地高,如果在草地和河流之间种植树林绿化带,就能加强防止磷元素和其他营养物质流失入水。[26]

污水处理[编辑]

自2003年左右开始,瑞典和德国已经在研究从污水中提取出磷,但因为世界市场上磷的价格居高不下,目前的污水提纯技术成本仍然非常高。[27][28]

参考资料[编辑]

  1. ^ Jasinski, Stephen. USGS Minerals Information: Phosphate Rock. minerals.usgs.gov. [2018-09-16]. (原始内容存档于2018-07-22) (英语). 
  2. ^ 科学网—化学家警告全球磷峰值到来. news.sciencenet.cn. [2018-09-16]. 
  3. ^ 3.0 3.1 Cordell, Dana; Drangert, Jan-Olof; White, Stuart. The story of phosphorus: Global food security and food for thought. Global Environmental Change. 2009-05, 19 (2): 292–305. ISSN 0959-3780. doi:10.1016/j.gloenvcha.2008.10.009. 
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  5. ^ Walan, Petter; Davidsson, Simon; Johansson, Sheshti; Höök, Mikael. Phosphate rock production and depletion: Regional disaggregated modeling and global implications. Resources, Conservation and Recycling. 2014-12, 93: 178–187. ISSN 0921-3449. doi:10.1016/j.resconrec.2014.10.011. 
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  8. ^ 8.0 8.1 IFDC Report Indicates Adequate Phosphorus Resources. IFDC.org. 2010-09. [永久失效連結]
  9. ^ Arno Rosemarin. Phosphorus a Limited Resource – Closing the Loop, (PDF). Global Status of Phosphorus Conference, Malmö, Sweden. (原始内容存档 (PDF)于2017-03-21). 
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  12. ^ 美国地质局. Phosphorus Soil Samples (PDF). (原始内容存档 (PDF)于2017-04-29). 
  13. ^ Anthoni, Floor. Abundance of essential elements. www.seafriends.org.nz. [2018-09-23]. (原始内容存档于2018-03-09). 
  14. ^ T., Peterson, B.; J., Depaolo, D. Mass and Composition of the Continental Crust Estimated Using the CRUST2.0 Model. AGU Fall Meeting Abstracts. 2007-12 (英语). 
  15. ^ Jasinski, SM. Mineral Commodity Summaries (PDF). 美国地质调查局. 2017-01. (原始内容存档 (PDF)于2017-05-13). 
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