生命化学可能很复杂，但植物旺盛生长的条件通常可以归结为三个数字，例如 19-12-5。这些是氮、磷和钾的百分比，醒目地显示在每包肥料上。在 20 世纪，这三种营养素使农业能够提高生产力，并使世界人口增长了六倍以上。但它们的来源是什么？我们从空气中获取氮，但我们必须开采磷和钾。世界的钾储量足以维持几个世纪。但磷的情况就不同了。到本世纪末，容易获得的全球供应量可能开始枯竭。到那时，我们的人口可能已达到顶峰，有些人说这超出了地球可持续供养的范围。
此外，麻烦可能很快就会浮出水面。正如去年的石油价格波动所表明的那样，市场可能在给定资源接近枯竭之前很久就变得紧张。而且磷的储量甚至比石油的分布更不均匀，这引发了额外的供应担忧。美国是世界第二大磷生产国（仅次于中国），占总量的 19%，但其中 65% 来自单一来源：佛罗里达州坦帕附近的露天矿，这些矿可能最多只能维持几十年。与此同时，全球近 40% 的储量由一个国家摩洛哥控制，有时被称为“磷的沙特阿拉伯”。尽管摩洛哥是一个稳定友好的国家，但这种不平衡使磷成为一颗地缘战略定时炸弹。
此外，肥料还会造成环境代价。现代农业实践使土地上磷的自然消耗速度增加了三倍，过量的径流进入水道，正在助长不受控制的藻类大量繁殖，并使水生生态系统失去平衡。与其他元素（如碳或氮）相比，磷受到的关注较少，但磷已成为我们这个时代最重大的可持续发展问题之一。
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绿色启示
我对磷的兴趣可以追溯到 20 世纪 90 年代中期，当时我参与了一个 NASA 计划，旨在学习如何在太空种植食物。此类系统的设计需要仔细分析构成食物的所有元素的循环，这些元素需要在宇宙飞船的封闭环境中进行回收。这种技术对于未来持续近三年的火星之旅可能是必要的。
我们的星球也是一艘宇宙飞船：它基本上拥有每种元素的固定总量。在自然循环中，风化作用将岩石中的磷释放到土壤中。植物吸收后，它进入食物链，并进入每一个生物体内。磷——通常以磷酸根离子 PO43- 的形式存在——是生命不可替代的成分。它构成 DNA 和细胞膜的骨架，并且是分子三磷酸腺苷或 ATP（细胞的主要能量储存形式）中的关键成分。一个普通人体内含有约 650 克磷，其中大部分在我们的骨骼中。
陆地生态系统平均重复利用当地循环中的磷 46 次。然后，矿物质通过风化和径流进入海洋，海洋生物可能会循环利用它约 800 次，然后它才会进入沉积物。经过数千万年，构造隆升可能会将其带回陆地。
收获打破了循环，因为它从土地中移走了磷。在前科学农业中，当人类和动物粪便用作肥料时，养分大致以与被取出相同的速率返回土壤。但我们的现代社会将食品生产和消费分开，这限制了我们向土地归还养分的能力。相反，我们使用一次，然后冲走。
农业还加速了土地侵蚀——因为耕作和翻土扰乱并暴露了土壤——因此更多的磷随径流流失。洪水控制也有助于破坏自然磷循环。通常，河流洪水会将富含磷的沉积物重新分配到低洼土地，在那里它再次可供生态系统使用。相反，水坝截留沉积物，或堤坝将其限制在河流中，直到它冲入大海。
因此，来自侵蚀土壤以及人类和动物粪便的过量磷最终进入湖泊和海洋，在那里它刺激了蓝藻（也称为蓝绿藻）和藻类的大量不受控制的繁殖。一旦它们死亡并沉入海底，它们的腐烂会剥夺其他生物的氧气，产生“死亡区”并导致渔业资源枯竭。
在供应持续期间
总的来说，现在的磷流量估计每年增加 3700 万吨。其中，约 2200 万吨来自磷矿开采。地球蕴藏着丰富的富磷矿物质——那些被认为在经济上可回收的矿物质——但大多数不易获得。《国际地质相关计划》（IGCP）在 1987 年估计，全球可能约有 1630 亿吨磷矿石，相当于超过 130 亿吨磷，似乎足以维持近一千年。然而，这些估计包括诸如高碳酸盐矿物之类的岩石类型，这些岩石类型作为来源是不切实际的，因为没有经济的技术可以从中提取磷。这些统计数据还包括因深度或离岸位置而无法到达的矿藏；此外，它们可能存在于欠发达或环境敏感的土地上，或者存在高浓度的有毒或放射性污染物，如镉、铬、砷、铅和铀。
使用当前技术在经济上可回收的矿藏估计值（称为储量）为 150 亿吨。这仍然足以以目前的消耗率维持约 90 年。然而，随着人口的增加以及发展中国家的人们要求更高的生活水平，消费量可能会增长。特别是肉类消费的增加可能会给土地带来更大的压力，因为动物吃掉的食物比它们变成的食物更多。
磷储量在地理上也高度集中。仅四个国家——美国、中国、南非和摩洛哥及其西撒哈拉领土——就拥有世界 83% 的储量，占年产量的三分之二。美国的大部分磷酸盐来自佛罗里达州骨谷的矿山，这是一个 1200 万年前在北大西洋形成的化石矿床。根据美国地质调查局的数据，该国的储量为 12 亿吨。美国每年生产约 3000 万吨磷矿石，假设今天的生产率，应该可以维持 40 年。
美国的矿山已经不再能供应足够的磷来满足该国肥料的生产，其中大部分肥料是出口的。因此，美国现在进口磷矿石。中国拥有优质储量，但不出口；美国的大部分进口来自摩洛哥。甚至比石油更甚，美国和全球大部分地区可能将依赖单一国家来获取关键资源。
一些地质学家对磷危机的存在持怀疑态度，并认为资源及其持续时间的估计是动态的目标。储量的定义本身就是动态的，因为当价格上涨时，以前被认为开采成本过高的矿藏会重新归类为储量。短缺或价格波动可以刺激保护工作或提取技术的发展。
而且，矿业公司只有在资源寿命降至一定年数以下时才有动力进行勘探。但旧矿的枯竭会刺激更多的勘探，从而扩大已知资源。例如，20 年前，地质学家 R. P. Sheldon 指出，20 世纪新资源发现的速度一直保持一致。Sheldon 还认为，热带地区深厚的土壤尚未得到充分勘探：这些地区占地球陆地表面的 22%，但仅包含 2% 的已知磷储量。
然而，大部分磷的发现都发生在两个地方：摩洛哥/西撒哈拉和北卡罗来纳州。而且，北卡罗来纳州的大部分资源都受到限制，因为它们位于环境敏感区之下。因此，迄今为止的发现不足以消除对未来供应的担忧。因此，社会应该正视迫在眉睫的磷危机，并开始认真努力进行保护。
坚如磐石
标准的保护方法也适用于磷：减少、回收和再利用。我们可以通过更高效的农业实践来减少肥料的使用，例如梯田和免耕耕作，以减少侵蚀[参见 David R. Huggins 和 John P. Reganold 的“免耕：静悄悄的革命”；《大众科学》，2008 年 7 月]。与作物一起收获的不可食用生物质，如秸秆和茎，应连同其磷一起返回土壤，肉类和奶制品生产中的动物粪便（包括骨骼）也应如此，但目前只有不到一半的动物粪便被用作肥料。
我们还将不得不处理我们的废水，以从固体废物中回收磷。这项任务很困难，因为残留的生物固体会被许多污染物污染，特别是重金属，如铅和镉，它们会从旧管道中渗出。使农业长期可持续发展始于我们重新努力逐步淘汰管道中的有毒金属。
我们排泄的磷有一半在尿液中，从中回收磷相对容易。分离固体和液体人类废物（可以在处理厂或源头使用专用厕所完成）将具有额外的优势。尿液也富含氮，因此回收利用可以抵消目前从大气中提取的部分氮，而这需要巨大的能源成本。
与此同时，新的发现可能只会延缓储量的枯竭，而不能阻止它。对于真正可持续的农业，这种延迟必须是无限期的。只有在世界人口足够少的情况下，才有可能实现这一目标，这样才能使用天然且大部分未经处理的低品位磷矿物来源来供养人口。与其他资源一样，最终的问题是地球到底能养活多少人类。
我们正在耗尽相对容易且廉价开采的磷矿床。乐观主义者可能对获得新来源的相对容易程度是正确的，并且可以避免短缺。但考虑到利害关系，我们不应将我们的未来交给偶然。
有毒资产
肥料径流和废水排放导致富营养化，即湖泊和海洋中蓝藻不受控制的繁殖，通常规模大到可以从轨道上看到。蓝藻（也称为蓝绿藻）以肥料中的氮和磷为食。当它们死亡时，它们的分解会消耗水中的氧气，并慢慢扼杀水生生物，产生“死亡区”。美国水域中最大的死亡区位于密西西比河三角洲附近，2008 年 7 月面积超过 20,000 平方公里；在右侧的 2001 年卫星图像中可以看到来自河流的淤泥。目前全球存在 400 多个死亡区，总面积超过 245,000 平方公里。研究人员对哪种元素——磷或氮——应该是防止富营养化的具有成本效益的水处理的主要重点存在分歧。生活在淡水中的蓝藻可以从空气中提取氮，因此限制磷径流至关重要，2008 年一项为期 37 年的研究证实了这一点，在该研究中，研究人员故意向加拿大湖泊添加营养物质。“世界上没有一个案例表明可以通过单独控制氮来减少富营养化，”埃德蒙顿阿尔伯塔大学的首席作者大卫·辛德勒说。其他研究人员指出，生活在海水中的蓝藻似乎无法吸收大气中的氮，但可能从现有沉积物中获得足够的磷，并敦促也控制氮。 ——Davide Castelvecchi， staff editor
注：本文最初以“磷：迫在眉睫的危机”为标题发表。