全球氮磷失衡｜Science

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含氮肥料的使用及其流入水道是造成氮和磷日益不平衡的主要原因

人类人口及其活动的指数增长正在加速全球变化，从气候到土地利用再到物种的丧失。大气中温室气体浓度的上升，主要是化石燃料燃烧产生的二氧化碳，是全球变化最显著的驱动力。温室气体的排放，也包括甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），正在加剧全球变暖以及更频繁和极端的天气事件，如干旱和洪水。土地利用和污染也对地球的未来产生了重大影响。在这些正在发生的人为变化中，氮（N）和磷（P）之间的生物圈养分不平衡不太为人所知，值得更多关注。

2003年，Sterner和Elser的一项开创性研究 告指出，水生N/P比率决定了湖泊中浮游生物的群落结构和功能。当N和P的浓度不受限制时，浮游生物的蛋白质合成率主要取决于生物体产生的富含P的RNA的数量，因此与细胞N/P比率呈负相关。因此，较低的N/P比率与浮游生物更快的蛋白质合成和更高的生长率相关。这种负相关关系对生态系统的结构和功能有多种生态后果，这在所有类型的生态系统中都有 道。

一些国家已经实施了水处理战略，以减少氮和磷的浓度。然而，这些水处理厂使用的技术保留了更多的P而不是N，因此增加了N/P比率，这是一个意外的结果。全球人为输入的N/P比率已从20世纪80年代的摩尔基约19:1增加到2020年的30:1。水、土壤和生物体中的这些N/P比率与全球变化的驱动因素（如变暖和大气中二氧化碳浓度增加）相互作用，进一步增加了一些生物群落中的N/P比率。

因此，目前全球人为输入的N/P比率大于主要生态系统区间的平均数，如土壤（高达22:1）、腐殖质（高达17:1）、海水（高达16:1）、陆地植物（高达30:1）和浮游生物（高达16:1）。全球范围内的这种不平衡在地方-区域范围内可能更大，因为N和P的输入并不均匀地分布在世界各地。

N和P在环境中的移动性非常不同。P往往具有较低的水溶性和挥发性，经常被吸附并以盐类矿物的形式沉淀在土壤中，并被埋在沉积物中，因此倾向于留在排放源附近。相比之下，氮的水溶性和挥发性要强得多，因此倾向于在离排放源更大的范围内扩散。

在几个大陆水体的营养群落、土壤群落的结构和功能以及植物群落的物种组成中，已经观察到并 告了N/P失衡加剧的生物影响。随着不平衡继续向同一方向倾斜，不平衡的影响将继续增加。

这种日益严重的N/P失衡不仅会给自然生态系统带来严重后果，而且还会给人类社会带来严重后果，因为农作物生产和粮食安全将受到影响。

不平衡的土壤N/P比率也会影响作物的化学成分，从而对公共健康产生影响。例如，在一些地区，由于过度使用无机和有机磷肥，P在土壤和水体中积累，N/P比率下降。在这些环境中生产的食物可能导致当地居民对P的过度消费，这可能对他们的健康产生负面影响。氮和磷之间的这种全球不平衡的影响也可能对其他几种与饮食密切相关的人类传染病和非传染病产生影响，如乳糜泻（coeliac disease）。

除了在N/P比率中观察到的不平衡外，人类活动还产生了其他元素之间的不平衡。例如，在植物组织中已经观察到碳（C）和氮相对于铁、锌、钙和钾等元素的比例变化。大气中二氧化碳浓度的增加很可能是植物中碳元素增加的驱动力，而植物又开发了更多的化合物来降低这些其他元素的浓度。这间接导致了生物体、群落和整个生态系统的元素组成（元素组），原因是近几十年来C和N相对于P和其他元素的人为生物圈输入不平衡，而且在未来几十年可能会加剧。

国家和国际环境机构和政策制定者现在应该认识到N/P比率的不平衡和其他元素化学计量的平行不平衡对生物圈和人类的风险。国际环境机构和政策制定者应该通过协调的国际政策来解决这个问题。需要在不同的时间和空间尺度上进行观察、实验、理论和建模，以评估、预测这些人为的营养失衡及其对自然和人类的影响，并提供可能的解决方案。

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