2磷肥对美国农业及环境的正负效应
B.A. 斯图尔特、普拉莫德・波克雷尔和马亨德拉・班达里
2.1 引言
氮和磷是美国及全球农业生产中为提高作物产量而施用最广泛的两种必需植物营养元素。据统计，全球每年约有 1.2 亿吨氮和 2000 万吨磷（1单位磷相当于 2.3 单位五氧化二磷）通过化学肥料施入农田（数据来源：联合国粮食及农业组织统计数据库 [FAOSTAT]，2016）。其中，美国的氮施用量约为 1130 万吨，磷施用量约为 170 万吨（数据来源：美国农业部经济研究局 [USDA – ERS]，2013）。然而，这些营养元素在历史供给来源上存在显著差异。
在 1945 年第二次世界大战结束前，作物生产所需的氮主要来自土壤有机质分解、豆科作物以及农家粪肥。二战结束后，许多原本采用哈伯 – 博施法生产无水氨（用于转化为硝酸铵制造炸弹）的化工厂转型为氮肥生产厂。哈伯 – 博施法通过氢气和氮气合成氨：弗里茨哈伯因发明该方法于 1918 年获得诺贝尔化学奖，而卡尔博施在 1931 年将该方法改进为高压条件下的大规模生产工艺，并与弗里德里希贝吉乌斯共同获得诺贝尔奖。生态学家瓦茨拉夫斯米尔（1999）曾指出，哈伯 – 博施法是 20 世纪最重要的发明，他认为若没有该技术，全球人口无法从 1900 年的 16 亿增长到 1999 年的 60 亿。同样，绿色革命之父、已故诺贝尔奖得主诺曼博洛格曾表示，若没有化学肥料，全球人口承载量将不超过现有水平的六分之一（罗伯茨和瑞安，2015）。斯图尔特等人（2005）认为，作物产量的 50% 以上归功于化学肥料的使用，而罗伯茨和塔西斯特罗（2012）则估算全球 40 – 60% 的谷物产量依赖于化肥。图 2.1 显示，世界谷物产量与合成氮肥的使用量呈现密切的正相关关系。目前全球人口已达 73 亿，预计到 2050 年将增至90 亿。
谷物生产中合成氮肥使用量的快速增长，推动了磷肥使用量的急剧上升。从历史来看，尽管鸟粪和人类排泄物有时也是重要的磷源，但粪肥一直是磷肥的主要来源（图 2.2）。然而，当大量合成氮肥被施用后，这些传统磷源变得供不应求 —— 因为随着合成氮肥的广泛应用，磷迅速成为限制谷物生产的关键因素。1950 年，粪肥提供了约 90% 的肥料磷，但到 2010 年，随着磷矿石成为主要磷源且总使用量增长约五倍，粪肥的贡献比例已降至 10%左右（图 2.2）。
尽管氮、磷肥的使用紧密相关，但其主要来源却大相径庭。由于哈伯 – 博施法从大气中获取氮（而大气中氮含量占 78%），因此只要能源充足，氮肥就永远不会短缺。相比之下，磷的主要来源是磷矿石，这是一种存在于矿山中的有限资源。
图 2.1 哈伯 – 博施法固定的氮（百万毫克，左轴）和世界谷物产量（百万毫克，右轴）。（来自Smil, V.，《自然》，36，415，1999；Stewart, B. A.、X. Hou 和 S. R. Yalla，《农业生态系统中可持续土壤管理原理：土壤科学进展》，CRC 出版社，佛罗里达州博卡拉顿，2013；粮农组织统计司，http://faostat3./home/E，2016。已获许可。）
图 2.2 用作肥料的磷的历史来源（百万毫克 / 年），包括粪便、人类排泄物、鸟粪和磷矿。（转载自《全球环境变化》，第 19 期，科德尔、D.，J. 德朗格特和 S. 怀特，《磷的故事：全球粮食安全与引人深思的问题》，第 292-305 页，版权所有（2009 年），已获得爱思唯尔的许可。）
全球磷研究倡议组织估计，全球可直接利用的磷资源将在 30 – 40 年内无法满足农业需求（《美国科学家》，2010）。阿蒙森等人（2015）指出，美国仅占全球磷资源的 2% 左右，按当前开采速度，最具生产力的矿山将在 20 年内枯竭，这将迫使美国在农业和工业领域越来越依赖进口。不过，也有其他研究对磷资源储量做出了更为乐观的估计。例如，肖尔茨等人（2013）提到，范考文伯格（2010）和贾辛斯基（2009，2012）的分析显示，世界磷储量估计值从 2008 年的 15 万亿吨增至2011 年的 71 万亿吨。但各方似乎都认同，全球市场上近期磷肥价格的上涨可能会对发展中国家的农民造成最沉重的打击，而这些国家正是全球人口增长的主要地区。阿蒙森等人（2015）报告称，1961 年至2008 年间，磷肥成本增长了近六倍，尽管近年来价格波动较大，但 2015 年的价格仍比 2008 年高出约 50%。全球约90% 的已知磷储量由五个国家控制：摩洛哥、约旦、南非、美国和中国，其中摩洛哥占比约 70%。
谷物生产至关重要，且高度依赖氮、磷肥。世界观察研究所（2015）基于 2007 年全球谷物产量数据指出，人类平均 48% 的热量来自谷物，这一比例仅略低于过去四十年 50% 的平均水平。谷物，尤其是玉米（玉蜀黍），与大豆（大豆属）一起，构成了工业化畜牧业生产的主要饲料来源。2007 年，约 48% 的谷物直接被人类消费，约 35% 用于喂养牲畜，约 17% 用于生产乙醇等燃料。最新估计（尼伦伯格和斯波登，2012）显示，直接消费的谷物比例有所下降：他们估算，2011 年全球 23 亿吨谷物产量中，约 5.71 亿吨用于食品；从直接消费谷物获取的热量占比差异显著，美国为 23%，发展中亚洲地区为 60%，北非为 62%。
玉米是产量增长最快的谷物，这不仅因为它可直接食用，还因为它是满足全球日益增长的动物蛋白需求以及生产乙醇等燃料的主要原料。2013 年，全球谷物总产量达 27.8 亿吨，其中小麦（普通小麦）7.16 亿吨，水稻（稻属）7.41 亿吨，玉米 10.18 亿吨，这三种谷物占谷物总产量的 89%。从历史上看，小麦产量最高，其次是水稻和玉米。尼伦伯格和斯波登（2012）指出，世界上约 5 万种可食用植物中，小麦、水稻和玉米占人类食物能量摄入的三分之二。图 2.3 展示了 1961 年至2013 年中国、印度、美国及全球的人口、谷物产量、合成氮肥和磷矿石磷肥的相对增长情况：全球人口增长 2.3 倍，谷物产量增长 2.9 倍，磷肥使用量增长 4.2 倍，氮肥使用量增长 10.3 倍。假设谷物平均含氮量为 1.6%（蛋白质含量 10%）、含磷量为 0.3%，那么2013 年 25.42 亿吨谷物中含氮 4070 万吨、含磷 760 万吨。斯米尔（2000）指出，约三分之二的施用养分用于谷物生产。2013 年数据显示，全球合成氮肥施用量约 1.19 亿吨，是谷物含氮量的 2.9 倍；磷肥施用量 2020 万吨，是谷物含磷量的 2.7 倍。尽管这些全球趋势清楚地表明了化肥使用与谷物生产之间的关系，但氮肥与磷肥使用之间的关系却不太明确。
谷物作物中的磷含量通常约为氮含量的五分之一。尽管存在较大差异，但植物通常能利用约50% 的施用氮肥，而磷肥的有效性通常低于氮肥，当年施用的磷被植物吸收的比例往往仅约 20%。因此，尽管植物含磷量仅为含氮量的五分之一，但磷肥与氮肥的施用比例却低得多：1961 年全球氮磷化肥施用比为 2.4:1，此后每十年递增，到 2010 年达到 5.8:1（表2.1）。这表明，在施肥初期可能存在磷肥过量施用的情况，但也说明磷肥材料及施用方法的改进极大地提高了磷肥利用效率。中国、印度和美国的数据因不同原因与全球数据存在显著差异（图 2.3）：美国化学肥料的广泛使用起步较早，在 20 世纪 50 年代末和 60 年代迅速增长，但在 70 年代因成本上升和环境担忧加剧而急剧放缓。美国环境保护署（EPA）成立于 1970 年，越来越多的证据表明，过量使用化肥导致地下水中硝酸盐浓度升高，并加速了地表水的富营养化。1970 年至 2012 年间，美国磷肥使用量实际下降了约 25%（图 2.3）。
图 2.3 1961 年至 2012 年中国（a）、印度（b）、美国（c）及全球（d）的人口、谷物产量、合成氮肥和磷矿衍生磷肥的相对增长情况（各图表底部显示 1961 年的数值）。（数据来源：联合国粮食及农业组织统计司 FAOSTAT，http://faostat3./home/E，2016。已获授权。）
表 2.1 1961 年至 2010 年世界及部分国家氮肥与磷肥施用量比值的变化
（基于联合国粮农组织统计数据库数据计算）
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1961 |
1970 |
1980 |
1990 |
2000 |
2010 |
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|
Ratio of N Fertilizer Megagram Used to P Fertilizer Megagram Used |
||||||
|
United States |
2.7:1 |
3.9:1 |
4.9:1 |
6.0:1 |
6.2:1 |
6.8:1 |
|
China |
8.4:1 |
8.4:1 |
10.1:1 |
7.6:1 |
5.8:1 |
6.1:1 |
|
India |
9.4:1 |
6.2:1 |
6.8:1 |
5.5:1 |
5.9:1 |
4.6:1 |
|
World |
2.4:1 |
3.4:1 |
4.3:1 |
4.9:1 |
5.7:1 |
5.8:1 |
相比之下，1961 年中国几乎不使用商业肥料，而这一时期恰逢 “大饥荒”，当时人均谷物产量仅 162 公斤。从 1961 年起，尽管人口增长了 2.1 倍，但谷物产量增长了 5.0 倍，达到人均 386 公斤。然而，为实现这一显著增长，氮肥使用量增长了 82.7 倍，磷肥使用量增长了 112.1 倍。另一方面，印度有很大比例的素食人口，对谷物的需求相对较少。1961 年，印度人均谷物产量为 191 公斤，到 2012 年增至240 公斤，尽管人口增长了 2.7 倍。同期，印度氮肥使用量增长了 67.4 倍，磷肥使用量增长了 111.3 倍。然而，2012 年印度谷物产量仅为 2.97 亿吨，而人口规模相近的中国则达到 5.48 亿吨。
与美国不同 —— 美国在使用化肥约 30 年后，氮、磷肥使用量的年增长率开始下降 —— 中国、印度和全球范围内几乎没有证据表明化肥使用增长率在显著下降（图 2.3）。诚然，1961 年至 2012 年，美国谷物总产量仅增长 2.2 倍，而全球为 2.9 倍，印度为 3.4 倍，中国为 5.0 倍。
同样重要的是，从图 2.3 中可以注意到，尽管 1961 年至 2012 年间世界人口增长了 2.3 倍，但谷物产量增长了 2.9 倍。因此，人均谷物供应量从 284 公斤 / 人增加到 359 公斤 / 人，这不仅减少了数百万人的饥饿和营养不良问题，还使另外数百万人能够通过增加动物蛋白的摄入量来改善饮食。在图 2.3 所示的所有案例中，磷肥的使用量与氮肥的使用量密切相关，尽管比例略有不同（表2.1）。1961 年，美国每使用 1 公斤磷肥仅搭配 2.7 公斤氮肥，而中国和印度的这一比例约为 8:1 或 9:1。这可能是由于可用性和成本差异所致，但这表明美国可能过度施用了磷肥。2012 年，世界、美国、中国和印度的氮肥与磷肥使用比例均接近 6:1，从植物需求的角度来看，这一比例似乎是合理的。显然，氮肥和磷肥的使用是提高谷物产量的主要因素，而中国和印度这两个人口最多的国家，其粮食生产速度超过了人口增长率。1961 年，这些国家的氮肥使用量不到全球的 8%，磷肥使用量不到 2%。2012 年，它们的氮肥使用量占全球的 52%，磷肥使用量占 50%（表2.2）。仅中国就使用了 38% 的氮肥和 36% 的磷肥。
磷是生命和农作物生长 sz的必需元素。Smil（2000）指出，构成所有生物蛋白质的富含氮的氨基酸中不含磷，但没有磷就无法合成蛋白质或碳水化合物聚合物。他进一步强调了磷在形成 DNA 和 RNA 长链中的重要性，这些核酸存储和复制所有遗传信息。生物磷循环是由磷以三磷酸腺苷和二磷酸腺苷的形式在生物系统的能量传输中所起的关键作用驱动的（Smeck，1985）。几乎所有食物中都含有磷，食物中磷酸盐的缺乏或过量都可能导致健康问题（Elser，2014；Scholz 等人，2014）。尽管当人类有足够的食物时，磷缺乏症很少见，但世界上仍有 8.5 亿人营养不良（世界饥饿教育服务组织，2015）。他们指出，最相关的营养不良类型是导致生长发育不良的蛋白质 – 能量营养不良，这基本上是卡路里和蛋白质的缺乏。人类将食物转化为能量，食物中含有的能量以卡路里来衡量。蛋白质对于身体的关键功能是必需的，包括提供必需氨基酸以及肌肉的发育和维持。蛋白质 – 能量营养不良是更致命的营养不良 / 饥饿形式，也是讨论世界饥饿问题时所指的营养不良类型。
表 2.2 美国、中国和印度 1961 年与 2012 年世界人口占比、谷物产量以及氮磷肥使用量的对比（数据根据联合国粮农组织统计数据库计算得出）
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Population |
N Fertilizer Use |
P Fertilizer Use |
Cereal Production |
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Percentage of World Values |
||||
|
United States |
||||
|
1961 |
6.1 |
26.4 |
23.0 |
18.7 |
|
2012 |
4.5 |
10.0 |
8.8 |
14.0 |
|
China |
||||
|
1961 |
21.9 |
4.7 |
1.4 |
12.5 |
|
2012 |
20.2 |
38.0 |
36.0 |
21.5 |
|
India |
||||
|
1961 |
14.9 |
3.2 |
0.5 |
10.0 |
|
2012 |
17.4 |
14.0 |
14.0  |
11.6 |
尽管氮通常是限制作物产量的第一个必需植物养分，但在供应足够的氮后，磷缺乏症通常很快就会出现。由于氮肥可以通过哈伯 – 博施工艺合成生产，其供应仅受价格限制。相比之下，制造肥料所需的磷资源供应是有限的。尽管这种资源的数量尚未完全了解，但其可用性和回收难度正变得成本更高。美国最大的磷矿位于佛罗里达州，这些储量正在迅速减少。预计它们将在 25 年内耗尽，美国已经从摩洛哥进口约 10% 的磷肥（Philpott，2013）。如前所述，大多数作物的含磷量约为含氮量的 20%，而且磷没有替代品。大多数农学家的普遍观点是，不断增长且更加富裕的世界人口对粮食和纤维的需求只能通过使用合成生产的氮肥来满足，而这将依赖于相应的磷供应。氮肥和磷肥的最大用途是生产谷物，根据当前趋势，谷物产量需要以比人口更快的速度增长。联合国粮食及农业组织（2009）预测，到 2050 年，总体粮食产量需要增加 70%，才能养活预计的 91 亿人口。粮食生产，尤其是谷物生产，需要比人口增长快得多，因为经济状况的改善增加了对更多动物蛋白的需求，而这需要更多的谷物。这里存在一个悖论，因为尽管未来的粮食供应似乎只能通过大量使用氮肥和磷肥来满足，但它们的使用正在导致严重的环境问题。一些地下水供应中的硝酸盐氮水平高于理想水平，这引起了人们的关注。可溶性磷化合物正越来越多地从农田转移到河流、湖泊和其他水体中，导致富营养化加速。因此，尽管许多人认为磷供应的减少正在成为一个严重的问题，但另一些人则将供水系统中磷的过剩视为一场环境危机。本章的目的是简要考察美国农业中的一些磷通量，特别关注每年施用于农田的主要由开采的磷矿石制造的磷肥数量，以及这些磷最终的主要去向。
2.2 美国的磷输入和输出
2.2.1 污水
农业的主要作用是为人类提供食物，而人类食用的几乎每一种食物都含有磷。磷对人类和植物一样必不可少，但人类和动物消耗的大部分磷会通过尿液和粪便排出体外。当然，随着生长，一些磷会保留在骨骼和肌肉中，但这只占消耗总量的一小部分。Smil（2000）估计，人类摄入的磷有98% 会被排出。他进一步估计，全球平均水平在 1.2 至1.4 克 / 人 / 天之间。由于美国人口消耗的卡路里比大多数国家多得多，我们将美国的这一估计值定为 1.5 克 / 人 / 天。美国人口为 3.2 亿，每人每天排出 1.5 克磷（0.55 公斤 / 年），因此大约排出176,000 公吨磷，这意味着所消耗的食物中含有约 180,000 公吨磷。因此，美国农业的主要目标是生产足够的食物，以在消耗的食物中提供 180,000 公吨磷。当然，并非所有生产的食物都被消耗，因此需要更多的磷。然而，大部分排出的磷最终会进入污水。除了人类排出的磷外，污水还含有来自工业源、洗涤剂、洗碗化合物和其他材料的磷。Smil（2000）指出，在富裕国家，人均工业磷排放量不太可能低于 2 克 / 人 / 天。基于这一数值，美国每年的污水中除了人类排出的 180,000 公吨磷外，还含有 240,000 公吨磷，总计 420,000 公吨磷。正如后面将讨论的，这几乎是美国每年作为肥料添加的磷的 25%。
从历史上看，美国成千上万的城市将处理后的废水排放到河流、湖泊和海湾中。这些水体常常受到严重污染，随着环境问题的日益关注，如今已制定了防止此类做法的法规。1972 年的《联邦水污染控制法修正案》对向水道排放废水施加了限制，并鼓励其他处置方法，如土地施用（Lu 等人，2012）。早些时候，Logan和 Chaney（1983）也报告说，1972 年的《水质法》对与一些城市副产品相关的公众关注进行了立法。该法案要求开发以环境安全的方式处理、处置和回收废水中的营养物质和生物固体的技术。尽管许多研究表明，污水生物固体的土地施用可以是安全和有益的，但许多人由于重金属的存在和限制而抵制其使用。例如，经过认证的有机食品不能在过去 3 年内施用过污水的土地上生产。
Hue（1995）指出，美国 25% 的污泥被土地施用，25% 被填埋，14% 被焚烧。然而，填埋和焚烧方法被认为是处置方法，正面临更严格的法规。1990 年美国关于污泥管理的调查显示，新泽西州除紧急情况外完全禁止污泥填埋；北卡罗来纳州不再允许在活跃的填埋场处置污泥，密苏里州、俄亥俄州、俄勒冈州和华盛顿州的污泥填埋量不到 10%（Hue，1995）。即使污泥被施用于土地，重点往往更多放在处置上，而不是营养物质的有效回收上。Hue（1995）报告说，污泥施用于土地的量在 2-70 公吨 / 公顷之间，典型的是15 公吨 / 公顷 / 年。这些施用率往往导致磷过量，因为文献回顾显示，污水污泥中氮和磷的干重百分比分别约为 3.5% 和 2%，而且污泥中的磷主要以无机形式存在（大部分可被生物利用）（Hue，1995）。大多数植物为了最佳生长，只需要约 15% 的磷与氮的比例。
Basta（2000）报告说，美国生产的总生物固体的土地施用量从 1972 年的 20%（600,000公吨干重）增加到 1995 年的 54%（3,100,000 公吨干重）。他进一步报告说，典型的氮和磷浓度为 4.3% 和 2.3%，与 Hue（1995）早些时候报告的相似，但略高，并指出大多数关于污水污泥的研究集中在植物养分的益处或对土壤、水和作物质量的相关环境影响上。有明确的证据表明，废水、生物固体和城市固体废物的土地施用可以以可持续的方式促进作物生产和改善土壤质量，但施用需要仔细审查和管理。Lu 等人（2012）指出，2004 年进行的最新国家生物固体调查显示，美国生产了约 6,000,000 公吨干生物固体，其中约 60% 被施用于土壤。尽管这听起来是积极的，但美国环保署估计，生物固体每年仅施用于美国约 0.1% 的可用农业土地（生物固体中的有毒物质和病原体委员会和国家研究委员会，2002）。因此，人类消耗的食物中以及后来以尿液和粪便形式排出的磷中，只有一小部分被有效回收。其中大部分继续被焚烧或填埋（Lu 等人，2012）。
2.2.2 肥料
2012 年，美国的磷肥消费量为1,750,000 公吨磷。尽管这比 1961 年使用的多40%，但比 1975-1980 年期间使用的少 20%。如前所述，从 1961 年到 2012 年，美国人口增长了 1.7 倍；谷物产量约增长了 2.2 倍；氮肥使用量增长了四倍；磷肥使用量增长了 1.6 倍（图 2.3）。图 2.3 中美国的数据清楚地表明，在 20 世纪 60 年代和 70 年代初期，氮肥和磷肥的施用超过了植物的需求。在此期间，肥料成本相对较低，而且使用过量肥料的有害环境影响尚未被清楚记录。随着这些影响被更好地理解，加上 1970 年环保局的成立以及 1973 年石油输出国组织的成立，这显著提高了能源价格，使氮肥和磷肥更加昂贵，人们齐心协力提高肥料使用效率。1980 年至 2012 年间，美国谷物产量增长了约 40%，而氮肥使用量仅增长了约 15%，磷肥使用量减少了 20%（图 2.3）。然而，这些趋势未来可能会改变，因为 2012 年氮与磷的施用比例为 6.9，而 1961 年为 2.7。这表明早期过度施用了磷肥，导致土壤中磷的积累，后来被利用。如前所述，大多数作物的含磷量约为含氮量的 20%，因此如果氮肥使用量继续以相同速度或增加，磷肥施用量可能会趋于增加，因为磷的吸收效率不太可能高于氮的吸收效率。
玉米是美国最广泛施用磷肥的作物。以 2010 年的数据（USDA-ERS，2013）为例，78%的玉米耕地以平均 67 公斤 / 公顷的速率施用了磷肥，总使用量约为 780,000 公吨。尽管只有 23% 的大豆耕地以平均 52 公斤 / 公顷的速率施用了磷肥，但磷的使用量约为 155,000 公吨。因此，2010 年施用于耕地的所有磷肥中，几乎 55% 用于种植玉米和大豆的土地。另外 10% 施用于小麦，其中 62% 的土地以平均 15 公斤 / 公顷的速率施用了磷肥。玉米、大豆和小麦耕地从商业肥料中获得了 1,110,000 公吨的磷，这些肥料要么由美国开采的磷矿石生产，要么从其他国家进口，主要是摩洛哥。此外，每年估计 240,000 公吨的工业污水中的磷，即使不是大部分，也有一部分同样来自矿山开采。因此，美国每年向环境中添加的磷在 1,750,000 至 2,000,000 公吨之间。
假设收获的玉米、大豆和小麦的平均含磷量分别为 0.30%、0.58% 和 0.36%，收获量分别为3.18 亿公吨玉米、8600 万公吨大豆和 5500 万公吨小麦，从田地中移除的磷量约为玉米 954,000 公吨、大豆 498,000 公吨和小麦 196,000 公吨，总计 1,648,000 公吨。由于这三种作物作为肥料添加了 1,110,000 公吨磷，添加的磷是收获的谷物和大豆中移除的磷的 67%。当然，作为肥料添加的大部分磷在施用当年并未被作物吸收，并且根据土壤特性，其中一些会被化学或物理固定在土壤中，永远无法被植物吸收。尽管如此，收获的玉米、大豆和小麦中所含的大量磷来自施用的肥料磷。
尽管每年有所不同，但美国生产的约 20% 的玉米、35% 的大豆和 50% 的小麦用于出口。因此，仅这三种作物每年就有约 460,000 公吨的磷从美国环境中出口，这约为每年从肥料中引入到景观中的磷的 25%。
2.2.3 动物粪便
从历史上看，几乎所有的牲畜和家禽都在农场层面养殖，其粪便会在农田中循环利用。农场输出的磷（P）主要局限于作为商品出售的谷物和动物产品。当时常通过种植豆类作物来额外补充氮（N），但磷需求主要通过土壤中的磷和粪便来满足。然而，当来自磷矿的合成氮和磷以经济价格供应时，土壤肥力便不再依赖粪便和豆类作物。这使得更多土地可用于种植作物，尤其是玉米和大豆，且施用氮磷肥后产量也有所提高。这些变化很快导致谷物和大豆供应充足，因此集中式畜禽养殖开始普及。出现了单场饲养 10 万头肉牛、1 万头奶牛，以及数千头生猪和家禽的设施。尽管产生了大量粪便，但通常不再像过去那样将其回用到土地中。
格蕾丝通讯基金会（2015 年）指出，美国生产的 60% 的玉米和 47% 的大豆被牲畜消耗。这些产品是动物饲料的基础，因为它们富含蛋白质，能使动物快速增重，比使用其他增重较慢的饲料更具经济效益。集中饲养的家禽和生猪从出生到出栏都在同一设施中，而肉牛通常仅在育肥期（一般为 120 至 200 天）进入集中饲养设施。不幸的是，从养分循环的角度来看，集中式动物饲养场越来越多地远离饲料（尤其是玉米和大豆）的生产地。图 2.4 显示了美国玉米和大豆的种植区域以及各类牲畜的养殖区域。图 2.4 中的牛数据仅包括出售的牛，主要是育肥待屠宰的牛，以及在农场和牧场出售后进入饲养场的牛，不包括牧场和农场的繁殖母牛和犊牛。奶牛数据仅包括正在产奶的牛，不包括后备小母牛等。这些信息很重要，因为它影响这些不同类别牲畜产生的粪便中可能被回收的量。美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS，1995 年）估计，肉鸡和蛋鸡 95% 的粪便、火鸡 75% 的粪便可被回收；奶牛为 80%，生猪为 75%，饲养场肉牛为80%。对于放牧动物，可回收量不到 10%，但放牧动物的粪便大多自然循环。
图 2.4 美国玉米、大豆种植及牲畜养殖的主要区域。（数据来源：美国农业部《农业普查》，美国农业部，华盛顿哥伦比亚特区，2012 年。已获授权。）
此前我们估计，美国生产的玉米粒含磷 95.4 万公吨，大豆含磷 49.8 万公吨。根据格蕾丝通讯基金会（2015 年）的数据，60% 的玉米和 47% 的大豆用于喂养动物，这意味着动物从这两种作物中消耗的磷达 80.6 万公吨。这些磷大部分通过尿液和粪便排出。威瑟斯和夏普莉（1995 年）报告称，喂养奶牛、绵羊和育肥猪的磷中有 70-80% 被排出，喂养家禽的磷中有 87% 被排出。同样，基辛格等人（2006 年）指出，喂养肉牛的磷中有 83% 被排出。假设排出率为 80%，那么集中式动物饲养场中主要由玉米和大豆喂养的动物，其尿液和粪便中排出的磷约为64.5 万公吨。此前估计，2012 年使用的 175 万公吨化肥磷中，有 93.5 万公吨用于生产玉米和大豆。因此，仅集中式动物饲养场中由玉米和大豆喂养的动物在粪便中排出的磷，约为这些作物种植土地施磷量的 70%，约占化肥磷总使用量的 37%。
利用 USDA-NRCS（1995 年）开发的方法和转换因子，结合美国农业部（USDA）农业普查（2012 年）中各类牛、猪和家禽的动物单位数量，对牲畜排出的磷量进行了更完整的估算。动物单位被用作一种跨动物类型和生命阶段的汇总方法。USDA 普查的动物单位数量包括牛、猪、鸡（肉鸡和蛋鸡）和火鸡。对于牛，分为三类：肉牛、奶牛和其他牛（在饲养场育肥待屠宰的肉牛，以及用于替换繁殖种群和饲养场的雌雄幼牛）。猪的动物单位分为商品猪和种猪。家禽的动物单位概括为肉鸡、蛋鸡和火鸡。利用美国农业工程师协会（ASAE，2003 年）对每类动物每动物单位产生的新鲜粪便的标准值，以及每类动物新鲜粪便的磷含量，估算了美国的新鲜粪便量和磷含量。这些计算结果如表 2.3 所示。牛产生了约 7.385 亿公吨新鲜粪便，估计含磷 109.265 万公吨；猪产生了 1.2 亿公吨新鲜粪便，含磷 25.2 万公吨；家禽估计产生了 7290 万公吨新鲜粪便，含磷 28.905 万公吨。2012 年牲畜排出的总磷估计为 163.37 万公吨（表 2.3），几乎相当于施用的 170 万公吨化肥磷（USDA-ERS，2013 年）。
全球动物粪便数据不如美国数据全面，但谢菲尔德（2000 年）估计，全球农场牲畜和家禽包括约 10 亿头牛、8 亿头猪、9 亿只绵羊和山羊，平均有 80 亿只鸡（肉鸡和蛋鸡）。他称粗略估计每年产生 17 亿公吨干粪便。同样，奥利弗（2008 年）报告称，根据联合国粮食及农业组织的数据，全球有 13 亿头牛（每 5 人一头）、略多于 10 亿只绵羊、约 10 亿头猪、8 亿只山羊和 170 亿只鸡。总共每年约产生 130 亿公吨粪便。假设粪便平均含水量约 85%，则剩余约 20 亿公吨干粪便，这与谢菲尔德几年前估计的 17 亿公吨相近。假设 20 亿公吨干粪便，进一步假设干粪便中平均含磷 1%，那么全球每年动物粪便中排出的磷约为 2000 万公吨。这一数量与麦克唐纳等人（2011 年）的估计相近，尽管略低。他们估计全球每年有 960 万公吨粪便磷施用于农田，而这仅占牲畜排出总磷的 40%，这意味着牲畜排出的磷约为 2400 万公吨。此前估计，全球生产 25.42 亿吨谷物将带走约 760 万公吨磷，使用了 2000 万公吨化学肥料磷，加上施用于农田的 800-1000 万公吨粪便磷，显然施用于农田的磷远超过作物带走的磷。即便如此，2000年全球近 30% 的农田存在磷赤字（带走的磷多于以化肥或粪便形式添加的磷）（麦克唐纳等人，2011 年；肖尔茨等人，2014 年）。当然，动物粪便中排出的 2000 万公吨磷中，许多无法循环利用，但粪便仍是农田磷的主要来源，也是发展中国家许多小农户唯一的磷来源，因为他们无法获得磷肥或磷肥过于昂贵。在全球范围内，麦克唐纳等人（2011 年）估计 40% 的粪便施用于农田。在美国，粪便每年仅施用于约 5% 的农田，其中一半以上施用于玉米地（麦克唐纳等人，2009 年）。
ABLE 2.3 2012 年美国各类动物产生的估计新鲜粪便量及含磷量
|
Animal Type |
Animals (AU −1 ) a |
AUs b (M) |
Fresh Manure c (million Mg) |
P c (%) |
P (Mg) |
|
Beef cows |
1.00 |
28.90 |
277.4 |
0.16 |
443,840 |
|
Dairy cows |
0.74 |
12.50 |
177.9 |
0.11 |
195,690 |
|
Other cattle |
1.69 |
29.50 |
283.2 |
0.1 |
453,120 |
|
Breeder hogs |
2.67 |
2.09 |
29.1 |
0.21 |
61,110 |
|
Market hogs |
9.09 |
6.54 |
90.9 |
0.21 |
190,890 |
|
Chicken layers |
250 |
1.37 |
14.6 |
0.47 |
68,620 |
|
Chicken broilers |
455 |
3.31 |
46.6 |
0.35 |
163,100 |
|
Turkeys |
67 |
1.50 |
11.7 |
0.49 |
57,330 |
|
Total |
85.71 |
931.4 |
1,633,700 |
A 动物单位（AU）的定义为活重455 公斤的动物当量，相当于一头肉牛（美国环境保护署，2013 年）。
B 美国农业部（2012 年）。
C 美国农业与生物工程师学会（2003 年）。
从历史上看，美国的大部分动物粪便都在生产饲料的土地上循环利用，而这些饲料用于喂养产生粪便的动物。不幸的是，现在情况已不再如此，因为大部分玉米和大豆从种植区被运往大型集中饲养场所在的地区（图 2.4）。如前所述，55% 的磷肥用于玉米和大豆，但这些产品被大量运往其他地区喂养牲畜。肉牛饲养场集中在大平原中部和南部，而家禽生产（尤其是肉鸡）主要在东南部（图 2.4）。这导致在土壤肥力提升需求有限的地区产生大量牲畜粪便。因此，粪便通常不施用于能有效循环利用磷的农田。在某些情况下，粪便被堆存，在其他情况下，仅为处置而施用于非农田。根据 2012 年美国农业普查数据和 ASAE（2003 年）粪便标准，约 51% 的家禽粪便中的磷产自阿肯色州、密西西比州、北卡罗来纳州、南卡罗来纳州、阿拉巴马州和佐治亚州。然而，这些州喂养动物的大部分饲料产自玉米带各州，然后运输到这些州。虽然这些大型养殖场生产的大部分肉类和鸡蛋被运出该地区，但大部分磷留在动物饲养地，因为它们排出摄入磷的约 80-90%（威瑟斯和夏普莉，1995 年）。因此，每年为生产磷肥而开采的大量磷，最终以饲料形式运往某些地区，最终成为不需要如此大量的粪便中的磷。然后这个过程会重复，因为从玉米和大豆种植地带走的磷必须补充，以维持产量。总体影响是，每年有大量的磷被添加到环境中，而不是循环利用环境中已有的更多磷。即使在产生大量粪便的地区，大多数生产者仍使用化学肥料，因为它更方便，更容易在适当的数量和地点施用。在许多情况下，由于运输和撒播粪便的成本高昂，使用化学肥料也更经济。在美国 1.58 亿公顷的农田中，每年有超过 1 亿公顷施用化学肥料、石灰或土壤改良剂，而施用粪便的农田不到 900 万公顷（图 2.5）。因此，尽管每年粪便中产生的磷几乎与化学肥料施用的磷一样多，但只有一小部分被有效循环利用。根据吉尔伯森等人（1979 年）和 USDA-NRCS（1995年）的研究，合理假设约 80% 的家禽、奶牛、饲养场肉牛和猪的粪便可被收集。因此，在每年牲畜产生的超过 160 万公吨磷中，可能至少有 50% 可以被循环利用。
关于施用于近 900 万公顷农田（图2.5）的粪便量或施用的作物，目前没有可用数据。然而，管理粪便中磷的一个主要问题是，许多生产者根据粪便施用量来供应作物生产所需的足够氮，而粪便中的氮磷比通常与作物的氮磷需求不匹配。例如，堆存的饲养场粪便或家禽垫料中的磷含量约为氮含量的一半（张等人，2012 年）。作物对氮的需求约为磷的 5-6 倍。当生产者添加粪便以供应作物生产所需的足够氮时，磷会过量添加，这可能导致环境问题。因此，即使粪便施用于农田，也可能无法有效循环利用。
图 2.5 2012 年美国耕地面积（1.57769 亿公顷）、施用商业化肥、石灰和土壤改良剂的耕地面积（1.00325 亿公顷）以及施用 manure（粪肥）的耕地面积（893.64 万公顷）。（数据来源：美国农业部，《农业普查》，美国农业部，华盛顿哥伦比亚特区，2012 年。已获许可。）
图 2.6 土壤磷对以下方面溶解磷浓度的影响：(a) 牧场流域地表径流；(b) 布罗德巴尔克田地地下瓦管排水。（源自：Sharpley, A. N.、T. Daniel、T. Sims、J. Lemunyon、R. Stevens 及 R. Perry 所著《农业磷与富营养化》，美国农业部农业研究服务局 ARS-149，华盛顿哥伦比亚特区，2003 年。已获许可。）
环境中额外磷的后果尚未被完全理解。或许更重要的是，没有简单的解决方案。在 20 世纪 70 年代美国环保署成立，人们对环境问题的认识日益增强的过程中，磷在加速水体富营养化中的重要性也得到了广泛强调。近年来，化肥和动物粪便中的磷与墨西哥湾和切萨皮克湾的水质问题有关。长期以来，人们认识到磷会吸附在土壤颗粒上，当土壤被风和水侵蚀时，磷会随土壤一起移动。然而，普遍的观点是，磷通过土壤剖面最终进入溪流、河流和湖泊的移动不是一个严重的问题。然而，最近的研究和观点表明，这些问题可能是一个严重的担忧，因为尽管通过土壤的水中磷的浓度可能很低，但其影响可能很大。尽管最近的研究记录了磷通过土壤剖面移动的重要性和环境后果，但作为一名研究生，安德鲁夏普莉在 30 多年前就记录了新西兰磷通过瓦管排水移动的情况（费舍尔，2015 年）。研究表明，向土壤中添加磷会增加通过估算植物可利用磷的方法测得的磷量。夏普莉等人（2003 年）表明，径流或排水水中溶解磷的浓度随植物可利用磷估算值的增加而线性增加（图2.6）。因此，土壤中磷的积累被视为环境风险，尤其是在径流或排水水可能进入水体并因加速富营养化而受损的地区。农业实践被认为对水质有负面影响的显著例子包括墨西哥湾、切萨皮克湾和伊利湖。
2.3 结论
磷（P）在美国的使用兼具正面和负面影响。通过添加由矿山开采的磷矿石制成的磷肥，作物产量显著提高。大部分磷肥用于生产玉米和大豆，这些作物广泛用于生产食品，尤其是动物性食品。每年人类废弃物和动物粪便中含有的磷超过 175 万公吨，比每年作为肥料添加的磷还要多。不幸的是，废弃物中的大部分磷最终进入了作物生产区以外的区域，因此磷未能得到有效循环利用。
从历史上看，动物在生产动物饲料的农场中饲养，粪便会被回用到土地上。如今，大量玉米和大豆被运输到远离作物生产地的大型动物饲养场，即使粪便被施用到土地上，磷也未能被有效利用。于是，人们从矿山开采更多的磷来生产更多的玉米和大豆，导致每年有大量的磷被排放到环境中。这给环境带来了意想不到的后果，尤其是加速了地表水的富营养化。
因此，出现了一个矛盾的现象：一方面，人们担心美国的磷矿石储量相当有限；另一方面，更令人担忧的是地表水中的磷浓度正变得难以控制。这是一个复杂的问题，不是由任何单一群体造成的，也无法由任何单一群体解决。事实是，随着效率的提高，作物生产区和动物生产区变得越来越分离。在这一发展过程中，人们对环境的负面影响没有充分的认识，甚至在今天，其长期影响也未被充分了解，或许更重要的是，并非所有群体都接受这些影响。
与此同时，更多的研究正在进行中，以制定解决该问题的实践方法和策略。只有当社会整体认为环境问题不可接受时，这个问题才能且将会得到解决。届时，可能会实施自愿性、政策性或监管性措施，这些措施或许会慢慢聚焦于增加磷的循环利用，而不是每年仅从矿山向环境中添加更多的磷。