地球科學

磷礦耗竭的危機

磷是肥料的主要成份,但目前的磷礦儲存量只夠使用數十年,如果不立即採取保護行動,未來的農業將面臨危機。

撰文/維卡利(David A. Vaccari) 
翻譯/林筱雯

地球科學

磷礦耗竭的危機

磷是肥料的主要成份,但目前的磷礦儲存量只夠使用數十年,如果不立即採取保護行動,未來的農業將面臨危機。

撰文/維卡利(David A. Vaccari) 
翻譯/林筱雯

重點提要

■開採磷礦來製造肥料,等於以地質循環補充速度的三倍來消耗這種礦物。在數十年內,美國會消耗掉所有本土可開採的磷礦資源,而其他磷礦豐富的國家並不多,這些礦藏也可能在一世紀內開採完畢。
■水裡的磷含量太高會造成藻華,消耗魚類所需要的氧氣,形成「死區」。
■降低土壤侵蝕,並回收農地廢棄物、人類排泄物裡的磷,才可使糧食生產永續發展,並防止藻華。

生命的化學也許很複雜,但是讓植物生長茂盛的條件卻可以精簡成三個數字:19-12-5,這是氮、磷、鉀的比例,清楚印在每包肥料的包裝袋上。這三種養份提高了農作物的產量,20世紀的世界人口因此成長了六倍以上,但它們的來源是什麼?我們可從空氣中得到氮,卻必須從土地開採磷和鉀。全世界的鉀存量足以再使用幾個世紀,但磷就完全不同了,全球易於開採的磷礦,在本世紀結束前會慢慢枯竭,屆時人口數量可能也將達到高峰,有些人甚至認為,地球根本無法永續負擔這麼多的人口。

況且,問題發生的速度可能更快。正如2008年的油價波動一樣,市場在資源尚未耗盡前就會吃緊,更令人擔憂的是,磷礦資源的分佈比原油還不平均。美國是全世界第二大磷礦生產國(僅次於中國),約佔全球總產量的19%,其中有65%全採自弗羅里達州坦帕市附近的礦坑,這裡的礦藏只夠再開採數十年。目前,全球的磷礦有將近40%蘊藏在摩洛哥,它的地位就像產原油的沙烏地阿拉伯一樣重要。雖然摩洛哥的政治穩定,跟美國的關係也很好,但從地緣戰略的角度來看,礦藏分佈不均仍是顆定時炸彈。

此外,肥料也給環境帶來負擔。現代的農業耕作方式讓土壤裡的磷元素消耗速度增為自然速率的三倍,過量的逕流排入水道以後,滋養水中的藻類而造成難以控制的藻華(algae bloom),水中生態系因此惡化。磷向來不像碳、氮等其他元素一樣受到注意,但它確實是當代重要的永續議題之一。

地球也像一艘太空船

我在1990年代中期開始對磷感到興趣,當時我參與了一項美國航太總署(NASA)的計畫,研究如何在太空種植食物。設計這種系統時,必須小心分析農作物的各種元素循環,因為在太空船的封閉環境中,所有的元素都必須回收再利用,未來的火星旅行將長達三年,或許用得上這種技術。

我們的星球也像一艘太空船,地球上的每一種元素都有固定的含量。在自然循環中,風化作用將岩石裡的磷釋放出來,進入土壤,被植物吸收後,再進入食物鏈,並在萬物之間循環。這些磷的化學型態通常是磷酸根離子(PO43-),是生命不可或缺的成份。磷是構成DNA和細胞膜的骨幹,更是三磷酸腺(ATP)分子的重要組成,ATP是細胞儲存能量的主要方式。人體平均含有650公克以上的磷,大部份都存在骨骼裡。

磷在陸地生態的自然循環中會不斷重複使用,平均可達46次,之後經過風化、逕流作用進入海洋,在海洋生物體內循環約800次,再進入沉積物,數千萬年之後,地殼抬升,磷又回到陸地上。

我們在收成農作物時,就是移除了陸地上的磷,打斷磷的自然循環。農業革命之前,我們使用人類和動物的排泄物來當做肥料,因此養份回到土壤裡的速度,大約等於被移除的速度;然而,現代社會的糧食生產和消耗是分開的,養份回到土地裡的比率減少了,我們只用它一次就沖入下水道。

農業活動也加速土壤侵蝕,因為犁田和整地時會翻動土壤,讓深層土壤暴露在空氣裡,使更多的磷被逕流帶走。防洪措施也會打斷磷的自然循環,河川通常會把富含磷的沖積物帶到下游,讓生態系能夠取用,但防洪措施干擾了這個過程,水壩攔住沉積物、堤防把泥沙留在河裡,最後磷只能以沖刷的方式直接進入海洋。

來自土壤侵蝕的磷、人類和動物排泄物裡的磷,流入湖泊和海水之後,會造成藻類和藍綠菌(就是俗稱的藍綠藻)大量繁殖,它們死後沉到水底,分解並消耗氧氣,其他生物能用的氧氣就不夠了,因此形成「死區」,並讓漁業耗竭。

目前磷在全球的流通量每年大概有3700萬公噸,其中2200萬公噸是從採礦而來。地球有不少富含磷(具有經濟開採價值)的礦物,可是大部份不容易取得。1987年,國際地質校正計畫(IGCP)估算,全球大概有1630億公噸的磷礦石,相當於可萃取出130億公噸的磷,看起來夠我們用上1000年了。不過IGCP把碳酸鹽含量很高的礦物也計算進去了,目前並沒有便宜的技術可從這種礦物萃取出磷,所以我們沒辦法利用它。而有些磷礦沉積物是無法取得的,它們不是位置太深,就是距離陸地太遠,而且可能位在未開發地區、開採時會破壞環境,或是裡面有鎘、鉻、砷、鉛、鈾等污染物,不是有毒就是有放射性。

成本合理、能夠開採的磷礦,根據估計大概有150億公噸的儲藏量,以目前的使用速度來看,還能用上90年。不過,各種因素都會增加磷的消耗量,包括世界人口增加、開發中國家的人民想過更好的生活等,特別是肉品消耗,動物吃的食物比牠們能生產的食物還多,會帶給土地更大的壓力。

磷礦的地理分佈很集中,美國、中國、南非、摩洛哥這四個國家,以及西撒哈拉地區,磷礦總儲藏量佔世界的83%,年產量則佔2/3(詳見上方〈磷礦資源分佈不均〉)。美國大部份的礦藏都在弗羅里達州的波恩谷,來自大西洋1200萬年前的化石沉積。根據美國地質調查所(USGS)的報告,全美國的磷礦儲藏量大約有12億公噸,每年的開採量約為3000萬公噸,假設開採速度不變的話,大約可以維持40年。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第89期7月號】