文献分享 | Science：全球氮磷失衡对自然生态系统和全球粮食安全造成严重影响

题目：The global nitrogen-phosphorus imbalance

——The imbalance has grave consequences for natural ecosystems and global food security

杂志：Science

人类人口及其活动的飞速增长加速了各方面的全球变化，使气候、土地利用、物种流失都面临严峻挑战。人类活动导致的温室气体排放正在加剧全球变暖以及更频繁的极端天气事件，这是最显著的驱动因素。相比之下，氮和磷之间的生物圈营养失衡则鲜少有人关注。本研究以氮磷比作为切入点，分析了全球现状和氮磷失衡的影响，并讨论了相应的防控策略。

一、全球氮磷的现状

（1）人为氮的输入多于人为磷的输入

在过去的五十年里，人类活动已经大大改变了水、土壤和生物体内的氮磷比。究其原因，是人类活动对生物圈的活性氮的输入比对磷的输入增加得更快，导致了全球氮磷比的增加。活性氮的主要人为来源包括化石燃料燃烧、施用氮肥等。同时，现有的水处理技术除氮效果较差，进一步增加了氮磷比。

（2）全球范围内氮磷比差异较大

全球人为输入的氮磷比已从20世纪80年代的19:1增加到2020年的30:1。目前全球人为输入的氮磷比大于主要生态系统区间的平均数，如土壤（高达22:1）、腐殖质（高达17:1）、海水（高达16:1）、陆地植物（高达30:1）和浮游生物（高达16:1）。全球范围内的这种不平衡在区域范围内可能更大。

（3）氮比磷具有更强的移动性

氮磷在环境中的移动性也非常不同。磷往往具有较低的水溶性和挥发性，经常被吸附并以盐类矿物的形式沉淀在土壤中，因此大多留在排放源附近。相比之下，氮的水溶性和挥发性要强得多，在离排放源更大的范围内扩散。

二、氮磷失衡的影响

（1）对于经济的影响

在区域一级补救这种不平衡的资源差距也可能扩大富国和穷国之间的经济差距。利用Haber-Bosch反应，人类可以从大气中提取无限的氮肥。而磷的来源主要限于矿山，并且集中在极少数国家，因此，随着这些来源的耗尽，低收入和缺粮国家最终可能在经济上无法获得磷。在未来，磷生产国可能会管理他们的储备，使其国内采矿业和农业的利润最大化，使贫困国的农民越来越负担不起以磷肥，并使问题最突出的地区的氮磷比失衡。

（2）对于健康的影响

土壤氮磷比失衡也会影响作物的化学成分，从而对公共健康产生影响。例如在一些地区由于过度使用磷肥，使磷在土壤和水体中积累，氮磷比下降。在这些环境中生产的食物可能会对健康产生负面影响，如乳糜泻等。

（3）其他元素也存在失衡的趋势

除了在氮磷比失衡外，人类活动还产生了其他元素之间的不平衡。例如，在植物组织中已经观察到碳和氮相对于铁、锌、钙和钾等元素的比例变化。大气中二氧化碳浓度的增加很可能是植物中碳元素增加的驱动力，而植物又生成了更多的化合物来降低这些其他元素的浓度。这间接导致了生物体、群落和整个生态系统的元素组成，这种现象在未来几十年可能会进一步加剧。

三、氮磷失衡的对策

各国环境机构和管理者应该清醒认识到氮磷比失衡对生物圈和人类的风险。需要在不同的时间和空间尺度上进行观察、实验、理论和建模，以评估、预测这些人为的营养失衡及其对自然和人类的影响，并提出相应解决方案。在现有方案中，提高氮磷的使用和循环效率是现有最有效的方法。例如：

（1）通过精准农业来避免滥用肥料；

（2）增加植物对磷来源的可及性；

（3）使用创新的管理技术和生物技术来提高营养物质的使用效率；

（4）通过行政层面的立法条例来刺激和补贴磷的循环；

（5）减少畜牧业生产等。

同时应该将这些营养失衡问题纳入到地球边界中，而不是只单独考虑氮和磷。

这篇文章系统介绍了全球氮磷现状和氮磷比失衡的影响，并讨论了相应的防控策略，让读者可以从一个相对全面的角度了解当前氮磷问题的困境。氮磷问题既是区域性的磷生产问题、富营养化问题、作物产量问题，也是全球性的经济问题、粮食问题甚至人类发展问题。可以立足某一具体领域寻找破局之法，再自下而上统筹管理，最终让氮磷问题不再成为发展的绊脚石。

文章信息

Peñuelas J, Sardans J. The global nitrogen-phosphorus imbalance[J]. Science, 2022, 375(6578): 266-267.

DOI:  10.1126/science.abl4827

分享人介绍

刘国王辰，2020级博士生

研究方向：流域非点源污染与水环境修复

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