生命化學可能很複雜，但植物旺盛生長的條件通常可以歸結為三個數字，例如 19-12-5。這些是氮、磷和鉀的百分比，醒目地顯示在每包肥料上。在 20 世紀，這三種營養素使農業能夠提高生產力，並使世界人口增長了六倍以上。但它們的來源是什麼？我們從空氣中獲取氮，但我們必須開採磷和鉀。世界的鉀儲量足以維持幾個世紀。但磷的情況就不同了。到本世紀末，容易獲得的全球供應量可能開始枯竭。到那時，我們的人口可能已達到頂峰，有些人說這超出了地球可持續供養的範圍。
此外，麻煩可能很快就會浮出水面。正如去年的石油價格波動所表明的那樣，市場可能在給定資源接近枯竭之前很久就變得緊張。而且磷的儲量甚至比石油的分佈更不均勻，這引發了額外的供應擔憂。美國是世界第二大磷生產國（僅次於中國），佔總量的 19%，但其中 65% 來自單一來源：佛羅里達州坦帕附近的露天礦，這些礦可能最多隻能維持幾十年。與此同時，全球近 40% 的儲量由一個國家摩洛哥控制，有時被稱為“磷的沙烏地阿拉伯”。儘管摩洛哥是一個穩定友好的國家，但這種不平衡使磷成為一顆地緣戰略定時炸彈。
此外，肥料還會造成環境代價。現代農業實踐使土地上磷的自然消耗速度增加了三倍，過量的徑流進入水道，正在助長不受控制的藻類大量繁殖，並使水生生態系統失去平衡。與其他元素（如碳或氮）相比，磷受到的關注較少，但磷已成為我們這個時代最重大的可持續發展問題之一。
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綠色啟示
我對磷的興趣可以追溯到 20 世紀 90 年代中期，當時我參與了一個 NASA 計劃，旨在學習如何在太空種植食物。此類系統的設計需要仔細分析構成食物的所有元素的迴圈，這些元素需要在宇宙飛船的封閉環境中進行回收。這種技術對於未來持續近三年的火星之旅可能是必要的。
我們的星球也是一艘宇宙飛船：它基本上擁有每種元素的固定總量。在自然迴圈中，風化作用將岩石中的磷釋放到土壤中。植物吸收後，它進入食物鏈，並進入每一個生物體內。磷——通常以磷酸根離子 PO43- 的形式存在——是生命不可替代的成分。它構成 DNA 和細胞膜的骨架，並且是分子三磷酸腺苷或 ATP（細胞的主要能量儲存形式）中的關鍵成分。一個普通人體內含有約 650 克磷，其中大部分在我們的骨骼中。
陸地生態系統平均重複利用當地迴圈中的磷 46 次。然後，礦物質透過風化和徑流進入海洋，海洋生物可能會迴圈利用它約 800 次，然後它才會進入沉積物。經過數千萬年，構造隆升可能會將其帶回陸地。
收穫打破了迴圈，因為它從土地中移走了磷。在前科學農業中，當人類和動物糞便用作肥料時，養分大致以與被取出相同的速率返回土壤。但我們的現代社會將食品生產和消費分開，這限制了我們向土地歸還養分的能力。相反，我們使用一次，然後沖走。
農業還加速了土地侵蝕——因為耕作和翻土擾亂並暴露了土壤——因此更多的磷隨徑流流失。洪水控制也有助於破壞自然磷迴圈。通常，河流洪水會將富含磷的沉積物重新分配到低窪土地，在那裡它再次可供生態系統使用。相反，水壩截留沉積物，或堤壩將其限制在河流中，直到它衝入大海。
因此，來自侵蝕土壤以及人類和動物糞便的過量磷最終進入湖泊和海洋，在那裡它刺激了藍藻（也稱為藍綠藻）和藻類的大量不受控制的繁殖。一旦它們死亡並沉入海底，它們的腐爛會剝奪其他生物的氧氣，產生“死亡區”並導致漁業資源枯竭。
在供應持續期間
總的來說，現在的磷流量估計每年增加 3700 萬噸。其中，約 2200 萬噸來自磷礦開採。地球蘊藏著豐富的富磷礦物質——那些被認為在經濟上可回收的礦物質——但大多數不易獲得。《國際地質相關計劃》（IGCP）在 1987 年估計，全球可能約有 1630 億噸磷礦石，相當於超過 130 億噸磷，似乎足以維持近一千年。然而，這些估計包括諸如高碳酸鹽礦物之類的岩石型別，這些岩石型別作為來源是不切實際的，因為沒有經濟的技術可以從中提取磷。這些統計資料還包括因深度或離岸位置而無法到達的礦藏；此外，它們可能存在於欠發達或環境敏感的土地上，或者存在高濃度的有毒或放射性汙染物，如鎘、鉻、砷、鉛和鈾。
使用當前技術在經濟上可回收的礦藏估計值（稱為儲量）為 150 億噸。這仍然足以以目前的消耗率維持約 90 年。然而，隨著人口的增加以及發展中國家的人們要求更高的生活水平，消費量可能會增長。特別是肉類消費的增加可能會給土地帶來更大的壓力，因為動物吃掉的食物比它們變成的食物更多。
磷儲量在地理上也高度集中。僅四個國家——美國、中國、南非和摩洛哥及其西撒哈拉領土——就擁有世界 83% 的儲量，佔年產量的三分之二。美國的大部分磷酸鹽來自佛羅里達州骨谷的礦山，這是一個 1200 萬年前在北大西洋形成的化石礦床。根據美國地質調查局的資料，該國的儲量為 12 億噸。美國每年生產約 3000 萬噸磷礦石，假設今天的生產率，應該可以維持 40 年。
美國的礦山已經不再能供應足夠的磷來滿足該國肥料的生產，其中大部分肥料是出口的。因此，美國現在進口磷礦石。中國擁有優質儲量，但不出口；美國的大部分進口來自摩洛哥。甚至比石油更甚，美國和全球大部分地區可能將依賴單一國家來獲取關鍵資源。
一些地質學家對磷危機的存在持懷疑態度，並認為資源及其持續時間的估計是動態的目標。儲量的定義本身就是動態的，因為當價格上漲時，以前被認為開採成本過高的礦藏會重新歸類為儲量。短缺或價格波動可以刺激保護工作或提取技術的發展。
而且，礦業公司只有在資源壽命降至一定年數以下時才有動力進行勘探。但舊礦的枯竭會刺激更多的勘探，從而擴大已知資源。例如，20 年前，地質學家 R. P. Sheldon 指出，20 世紀新資源發現的速度一直保持一致。Sheldon 還認為，熱帶地區深厚的土壤尚未得到充分勘探：這些地區佔地球陸地表面的 22%，但僅包含 2% 的已知磷儲量。
然而，大部分磷的發現都發生在兩個地方：摩洛哥/西撒哈拉和北卡羅來納州。而且，北卡羅來納州的大部分資源都受到限制，因為它們位於環境敏感區之下。因此，迄今為止的發現不足以消除對未來供應的擔憂。因此，社會應該正視迫在眉睫的磷危機，並開始認真努力進行保護。
堅如磐石
標準的保護方法也適用於磷：減少、回收和再利用。我們可以透過更高效的農業實踐來減少肥料的使用，例如梯田和免耕耕作，以減少侵蝕[參見 David R. Huggins 和 John P. Reganold 的“免耕：靜悄悄的革命”；《大眾科學》，2008 年 7 月]。與作物一起收穫的不可食用生物質，如秸稈和莖，應連同其磷一起返回土壤，肉類和奶製品生產中的動物糞便（包括骨骼）也應如此，但目前只有不到一半的動物糞便被用作肥料。
我們還將不得不處理我們的廢水，以從固體廢物中回收磷。這項任務很困難，因為殘留的生物固體會被許多汙染物汙染，特別是重金屬，如鉛和鎘，它們會從舊管道中滲出。使農業長期可持續發展始於我們重新努力逐步淘汰管道中的有毒金屬。
我們排洩的磷有一半在尿液中，從中回收磷相對容易。分離固體和液體人類廢物（可以在處理廠或源頭使用專用廁所完成）將具有額外的優勢。尿液也富含氮，因此回收利用可以抵消目前從大氣中提取的部分氮，而這需要巨大的能源成本。
與此同時，新的發現可能只會延緩儲量的枯竭，而不能阻止它。對於真正可持續的農業，這種延遲必須是無限期的。只有在世界人口足夠少的情況下，才有可能實現這一目標，這樣才能使用天然且大部分未經處理的低品位磷礦物來源來供養人口。與其他資源一樣，最終的問題是地球到底能養活多少人類。
我們正在耗盡相對容易且廉價開採的磷礦床。樂觀主義者可能對獲得新來源的相對容易程度是正確的，並且可以避免短缺。但考慮到利害關係，我們不應將我們的未來交給偶然。
有毒資產
肥料徑流和廢水排放導致富營養化，即湖泊和海洋中藍藻不受控制的繁殖，通常規模大到可以從軌道上看到。藍藻（也稱為藍綠藻）以肥料中的氮和磷為食。當它們死亡時，它們的分解會消耗水中的氧氣，並慢慢扼殺水生生物，產生“死亡區”。美國水域中最大的死亡區位於密西西比河三角洲附近，2008 年 7 月面積超過 20,000 平方公里；在右側的 2001 年衛星影像中可以看到來自河流的淤泥。目前全球存在 400 多個死亡區，總面積超過 245,000 平方公里。研究人員對哪種元素——磷或氮——應該是防止富營養化的具有成本效益的水處理的主要重點存在分歧。生活在淡水中的藍藻可以從空氣中提取氮，因此限制磷徑流至關重要，2008 年一項為期 37 年的研究證實了這一點，在該研究中，研究人員故意向加拿大湖泊新增營養物質。“世界上沒有一個案例表明可以透過單獨控制氮來減少富營養化，”埃德蒙頓阿爾伯塔大學的首席作者大衛·辛德勒說。其他研究人員指出，生活在海水中的藍藻似乎無法吸收大氣中的氮，但可能從現有沉積物中獲得足夠的磷，並敦促也控制氮。 ——Davide Castelvecchi， staff editor
注：本文最初以“磷：迫在眉睫的危機”為標題發表。