研究表明，在氣候變遷和農業實踐的推動下，磷正在從美國土壤中沖入河流。
這會導致生態破壞，並對糧食安全構成挑戰，需要創新的農業技術來緩解。
美國土壤中的磷消耗
磷是土壤中維持大多數生命形式所必需的重要養分，但它正日益從農田中流失，並最終流入美國各地的水道中。賓州州立大學研究人員領導的一項新研究發現了這個令人擔憂的趨勢。
今天（11 月 18 日）發表在美國國家科學院院刊，該研究分析了 40 年來美國 430 條河流的數據。研究結果表明，儘管人們不斷努力遏制，但農田磷流失量仍顯著增加。研究人員警告說，這種損失威脅到農作物產量，可能導致糧食價格上漲。
天氣和土壤侵蝕對磷含量的影響
「我們從最近的天氣事件中看到，暴風雨和水道攜帶的水量可能會導致危險的洪水和泥石流，」賓州州立大學土木與環境工程系教授、該論文的通訊作者李力解釋道。 「我們想要了解的是，當這些風暴將地下土壤拉入河流和溪流時，土地會發生什麼變化。我們發現這種讓土壤維持生命的有限元素的流失令人震驚。
磷在各種生物過程中發揮重要作用，例如創造脫氧核糖核酸李解釋說，結構並促進細胞之間的能量轉移。但與另一種重要的土壤養分氮不同，磷是一種不可再生資源，地質儲量有限，這意味著一旦它從陸地轉移到水中，就無法再回到土地。
磷管理的挑戰
「由於多種原因，這是一個問題，」李說。 「當它從農田流失時，就會降低農作物產量，可能導致糧食價格上漲。然後，當磷進入我們的水道時，它會導致有害的藻華，使水體不適合游泳和釣魚，甚至會降低水中的氧氣含量並殺死魚類和其他水生生物。它還使得飲用水處理成本更高，這意味著我們所有人的水費都更高。
該研究使用複雜的深度學習模型分析了 1980 年至 2019 年四十年的數據，涵蓋美國本土 430 條河流。報告顯示，雖然 60% 的研究河流磷含量下降，但流入河流的磷總量卻增加。農業地區是造成這個問題的最大原因，農業地區附近的大多數河流的磷含量都在上升，而城市地區附近的河流的磷含量卻在下降。
透過創新解決問題
「這表明控制農業徑流等來源的磷污染的努力並不像我們想像的那麼有效，」李說。 「但是磷含量的下降，特別是在流經城市地區的河流中，表明控制廢水處理廠等點源磷污染的努力正在發揮作用。”
儘管做出了這些有針對性的努力，李說，流入河流的磷總量總體增加是由於極端天氣事件頻率增加，導致降雨量增加和河水流量增加，流量增加帶來了更多的磷。
「這意味著，儘管我們在限制城市地區磷污染方面做得更好，但由於因素在很大程度上超出了某個地區的控制範圍，整體問題正在變得更加嚴重，」李說。 “這是一個與氣候變遷有關的問題。”
研究的作者表示，展望未來，農業磷污染需要更好的預防和緩解，這將是一個挑戰，特別是在潮濕的風暴導致降雨量和河流流量增加的情況下。他們表示，這可能需要結合新技術和農業實踐的改變。
解決磷污染的創新解決方案
賓州州立大學發明了一項此類技術，目前正在獲得農業技術部門的支持，以大規模解決這個問題。 Hunter Swisher 是 2016 年賓州州立大學校友，是磷酸鹽，一種為提高土壤中磷效率而配製的肥料。
他在賓州州立大學植物科學本科學習期間開發了該公司的技術。該公司最近宣布研究結果證明與傳統磷肥相比，該產品可減少 78% 的徑流潛力。 Phospholutions 正在美洲、歐洲和印度積極商業化。
「我們提倡更多創新、更多創造力和更多緊迫感，」李說。 「水和土地之間的聯繫至關重要，但這種平衡正變得越來越脆弱。」
參考文獻：“儘管美國河流濃度普遍下降，但磷流失仍在增加”，2024 年 11 月 18 日，美國國家科學院院刊。
DOI：10.1073/pnas.2402028121
賓州州立大學的其他作者包括魏志，前賓州州立大學土木與環境工程助理研究教授，現任中國河海大學教授；劉江濤，土木與環境工程博士生；博耶（Elizabeth Boyer），環境科學教授；沈超鵬，水資源工程教授；劉曉峰，土木工程系副教授。其他作者包括波蘭華沙大學的休伯特·巴涅茨基（Hubert Baniecki）和美國地質調查局的加里·申克（Gary Shenk）。
這項工作得到了賓州州立大學巴里和雪莉·伊塞特教授、河海大學高效能運算平台、美國國家科學基金會、美國能源部以及波蘭教育和科學部的支持。
