研究表明，受气候变化和农业耕作方式的影响，美国土壤中的磷正在被冲刷至河流中。

这会导致生态遭到破坏，对粮食安全构成挑战，因此需要创新的农业技术来缓解。

美国土壤中的磷耗竭

磷是土壤中的一种关键养分，对维持大多数生命形式至关重要，如今却正日益从农田中流失，最终汇入美国各地的水道。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究揭示了这一令人担忧的趋势。

这项研究于今日（11月18日）发布在《美国国家科学院院刊》上，该研究对40年来美国430条河流的数据进行了分析。尽管人们一直在努力遏制磷流失，但研究发现农田磷流失现象显著增加。研究人员警告称，磷流失威胁着农作物产量，可能会导致粮食价格上涨。

天气和土壤侵蚀对磷含量的影响

宾夕法尼亚州立大学土木与环境工程教授、本研究的通讯作者李丽（Li Li）解释说：“从最近的天气事件中我们可以看出，水量——即风暴和水道带来的水量——会导致危险的洪水和泥石流。我们想要了解的是，当这些风暴把土壤表层冲入河流时，土地会发生什么变化。我们发现，这种能让土壤维持生命的有限元素正在惊人地流失。”

李（Li）解释说，磷在各种生物过程中都发挥着至关重要的作用，比如构成DNA结构，促进细胞间的能量传递。但与另一种重要的土壤养分氮不同，磷是一种不可再生资源，地质储量有限，这意味着磷元素一旦从陆地流入水中，就无法再回到陆地。

磷管理面临的挑战

“这个问题之所以严重，原因有很多，”李（Li）说。“当磷从农田流失时，会导致农作物减产，进而导致粮食价格上涨。然后，当磷进入我们的河道时，会导致有害藻类大量繁殖，使水体变得不适合游泳和捕鱼——甚至会导致水中含氧量下降，致使鱼类和其他水生生物死亡。此外，它还会增加饮用水的处理成本，这意味着我们所有人的水费都会增加。”

该研究使用了一种复杂的深度学习模型，分析了美国本土430条河流从1980年到2019年这40年间的数据。结果表明，尽管60%的研究河流中的磷含量呈下降趋势，但流入河流的磷总量却有所增加。农业地区是导致这一问题的罪魁祸首，农业地区附近的大多数河流中的磷含量都在增加，而城市附近河流中的磷含量却在下降。

通过创新解决问题

“这表明，控制农业径流等源头磷污染的努力没有我们想象的那么有效，”李（Li）说，“但是磷含量不断下降，尤其是流经城市地区的河流中的磷含量不断下降，这表明控制污水处理厂等点源磷污染的努力是有效的。”

尽管做出了这些有针对性的努力，李（Li）表示，流入河流的磷总量增加，原因在于导致降雨增强和河流径流量更高的极端天气事件发生的频率不断增加——河流径流量增加，意味着磷含量也增多。

“这意味着，尽管我们在限制城市地区的磷污染方面做得更好，但由于其中许多因素不是单一地区能够控制的，所以从整体上看，这个问题日趋严重，”李说，“这是一个与气候变化息息相关的问题。”

研究报告的作者表示，未来需要更好地预防和减轻农业磷污染，这将是一项挑战，尤其是当风暴导致降雨量和河流流量增加时。他们说，这可能需要结合新技术和改变农业耕作方式。

解决磷污染的创新方案

宾夕法尼亚州立大学（Penn State）就发明了这样一种技术，目前正在获得农业技术部门的支持，以大规模地解决这个问题。2016届宾夕法尼亚州立大学校友亨特·斯威舍（Hunter Swisher）是Phospholutions公司的创始人和首席执行官，该公司生产了一种旨在提高土壤磷利用率的肥料。

他在宾夕法尼亚州立大学攻读植物科学本科学位期间研发了公司的技术。该公司最近公布了一项研究结果，证明与传统磷肥相比，该产品可将径流潜力降低78%。Phospholutions公司目前正在美洲、欧洲和印度积极展开商业化运营。

“我们倡导更多的创新、更多的创造力和更多的紧迫感，”李说，“水土之间的联系至关重要，而这种平衡正变得越来越脆弱。”

参考文献：《尽管美国河流中磷浓度普遍下降，但磷流失量仍在增加》，作者：卫志、休伯特·巴涅茨基、刘涛、伊丽莎白·波义耳、沈超鹏、加里·申克、刘晓峰、李力，发表于2024年11月18日，载于《美国国家科学院院刊》。DOI：10.1073/pnas.2402028121

其他来自宾夕法尼亚州立大学的作者包括：魏智，曾任宾夕法尼亚州立大学土木与环境工程系助理研究教授，现为中国河海大学教授；土木工程与环境工程系博士生刘涛；环境科学教授伊丽莎白·波义耳；水资源工程教授沈超鹏；土木工程副教授刘晓峰。其他作者包括波兰华沙大学的休伯特·巴涅茨基和美国地质调查局的加里·申克。

本研究得到了宾夕法尼亚州立大学巴里和雪莉·艾塞特教授席位、河海大学高性能计算平台、美国国家科学基金会、美国能源部以及波兰教育与科学部的支持。