在阳光明媚的日子里，危地马拉的阿蒂特兰湖通常是一片广阔的绿松石和蓝宝石景色，湖水吸收着天空的颜色，直到两者几乎无法区分。被群山和高耸的火山环绕，在阿蒂特兰的海浪之下是沉没的废墟，曾经在这里繁荣了数千年的玛雅社区用于崇拜和仪式。
但在 2009 年的一天早上，这些社区醒来时看到了令人不安的景象。大片湛蓝的湖水反而变成了病态的绿色。一层恶臭的浮渣漂浮在它的表面，被冲上岸，在人们洗澡和捕鱼的海湾里盘旋。
阿蒂特兰有蓝藻已经超限，或因为它是更俗称，蓝绿藻。爆发是大规模的，覆盖了湖面的40%;大到可以从太空看到。这是第一次在湖中记录到如此规模的蓝绿藻爆发，但不会是最后一次。2015 年，另一场大规模的藻华将游客赶走了，而游客是当地经济的重要组成部分，而现在，藻华对湖中的土著居民来说是一种半持续的健康威胁。
Atitlán 藻类激增的原因，现在地球上的许多淡水湖泊都面临这种痛苦，这与我们物种 20 世纪人口激增的故事密不可分。近几十年来，该湖被磷和其他营养物质淹没，主要通过污水和农业径流输送。与其姊妹元素氮一起，磷几乎完全负责我们养活数十亿人的能力。这两种元素对植物和农作物至关重要，并且是合成肥料的组成部分，对现代工业食品生产至关重要。
它们也是世界上最不为人所知但最严重的生态危机之一的原因：人为造成地球自然氮和磷循环的不稳定。
在过去的一个世纪里，合成肥料的广泛使用使作物产量猛增。但有一个问题：来自农业的过量氮和磷径流正在泄漏到湖泊中并流入全球的河口、海湾和海洋，导致像阿蒂特兰那样的有毒藻华，以及海洋中巨大的无氧“死区” ，在那里大多数海洋生物无法生存。由气候变化引起的特大风暴和更高的温度使问题变得更糟。
这些藻类大量繁殖和死区现在呈上升趋势，专家表示，除非政府开始迅速采取有效行动，否则阿蒂特兰湖的困境只是对即将发生的事情的一种预兆。氮磷超载造成的不平衡正威胁着世界各地的生物多样性，据一些科学家称，这将我们赶出了“人类安全的工作空间”。
从鸟粪到绿色革命
在土壤中提供或“固定”足够的氮以种植丰富的作物的斗争一直是人类历史的常态。氮和磷都是光合作用的必要成分;如果不够，植物就会生病和发育不良。氮自然丰富，占大气的 80%，但大多数植物在转化为“反应性”形式之前无法使用它，从而限制了它们的生长地点。
早期社会通过燃烧植被找到了绕过这些限制的方法，然后在烧焦的土壤中种植作物以促进生长。随着这一发现，“刀耕火种”农业诞生了，虽然他们不知道，但这些新石器时代的农民正在将焚烧植物物质释放的活性氮和磷注入土壤。
后来的文明了解到，在农作物中散布三叶草和豆类，例如大豆(属于能够固氮的稀有植物)，或施用动物粪便(含有消化后的活性氮和磷)比刀耕火种更好的解决方案。这些创新使农业能够支持更多的人口。
在 1600 年代中期，一位德国炼金术士在寻找神话般的“哲人之石”时，将 50 桶尿液煮沸，无意中发现磷是人体构成的一部分。”结果，粉碎的人骨(连同大量的粪便)随后在欧洲被用作肥料。
尽管有这些发现，饥荒仍然是一个持续存在的危险，当欧洲和美国的殖民大国了解到秘鲁土著群体使用的一种技术时，他们用营养丰富的海鸟鸟粪给他们的作物施肥，这是一种竞争激烈的跨大西洋提取物贸易诞生了。到 1800 年代中期，新独立的秘鲁、智利和玻利维亚正在为争夺鸟粪掉落的岛屿的控制权而进行一场血腥的战争。大约在同一时间，美国科学家发现可溶性磷的天然岩石矿藏存在并且可以开采。
然后，在20的第一个十年个世纪，两位德国化学家，弗里茨哈伯和卡尔·博世，改变了历史的进程，好和坏。两人开发了Haber-Bosch 工艺，这是一种通过高压和高温将大气中的氮和氢直接转化为氨(一种活性氮化合物)的方法。这一突破导致了合成肥料的生产——以及第一次世界大战中使用的致命炸药。
磷矿开采和人工固氮的双重发展标志着人类历史上一个被低估的转折点。再加上新的高产作物和化学杀虫剂，人们突然能够以前所未有的规模生产粮食，我们的人口开始参加比赛。从 1900 年到 2000 年，地球上的人类数量从 16 亿增加到 60 亿，而用于农业的土地总面积仅增加了 30%——如果没有合成肥料，这是不可能实现的壮举。
不利的一面是活性氮和磷以惊人的量被引入生物圈。1890年，人类每年生产活性氮1500万吨(几乎全部来自种植豆类和水稻)，农业用磷约200万吨。今天，这个数字超过每年2 亿吨活性氮和4700 万吨磷。
农业产业化的发展是20期间出现许多技术奇迹之一个世纪。但与许多其他人一样，有一个隐藏的价格。
陆路、空中和海上
在合成肥料和化石燃料出现之前，氮在生物圈中的运动相对稳定。在所谓的“氮循环”中，元素的原子穿过动植物群，通过排泄和死亡释放回地下，一些通过细菌转化到大气中或滴入水道逃逸。氮循环是地球上生命的基础，有助于在原子运动的和谐平衡中维持和滋养动植物群。
这种平衡被工业化和技术打破了。虽然氮基肥料也含有从地球上开采的磷，但如今生产的食物可以养活世界上大约一半的人口，但它们的自由应用创造了氮“级联”。急于扩大国民经济的政府补贴化肥采购，使农民能够更快地种植更多粮食，而化工公司则使用哈伯-博世工艺以相对便宜的养分使市场饱和。
反过来，大量涌入的氮和磷变成了一种污染，溢出到地球的生态系统中。现在，合成肥料中使用的近80% 的氮通过土壤侵蚀、径流、大气转化和其他形式的废物流失到环境中。甲2002年的研究估计，由哈柏法转化成肥料，每100个氮分子，只有14端向上作为食物食用。
这种氮和磷的“超载”正在全球范围内造成环境破坏。化肥和污水的径流含有人类消耗的营养物质，渗入地下水并进入水道。正如经济作物喜欢这两种元素一样，在阿蒂特兰湖等水体中自然发现的蓝藻和藻类也喜欢这两种元素。
这种营养盛宴导致天文增长的“绽放”，有时被称为“赤潮”。大量的藻类消耗了水中的氧气，然后死亡，作为腐烂的绿色或红色浮渣漂浮到水面，通常是有毒的，这进一步消耗了水中的氧气含量。这个过程被称为富营养化，现在从密歇根到上海很常见，死区开始于河口和海湾，但甚至发生在大洋中央。
“进入淡水河道的营养物质超载养育了更多的藻类繁殖，随着藻类的复制和生长非常迅速，它们会消耗氧气并为水系统中的鱼类和其他类型的动物创造一个非常危险的生存环境，”张欣说。 ，马里兰大学环境科学中心副教授。“海洋前沿和河口的情况也是如此。”
虽然大多数人从未听说过“富营养化”这个词，但越来越多的人开始熟悉它的影响。在美国，从佛罗里达州到密歇根州的湖泊和海岸线都在与藻类作斗争，而在地球上营养过剩浓度最高的中国，大规模的藻华迫使竞争性帆船赛事在 2008 年奥运会期间推迟。在印度，神圣的恒河因藻类而变绿。
“人类对氮磷循环的干扰已经超出了地球边界，”张说。到目前为止，科学家们已经认识到九个行星边界，他们说这些边界代表了人类活动的安全极限。除了它们之外，我们还冒着破坏自然地球系统并危及我们的生存的风险。(帮助发展和普及这一概念的斯德哥尔摩复原力中心保留了对全部九个边界的描述，其中包括：气候变化;生物多样性丧失;海洋酸化;臭氧消耗;大气气溶胶污染;淡水利用;土地系统变化;新化学物质的释放;以及氮和磷的生物地球化学流。)
养分污染“死区”
在全球范围内，以湖泊和海洋为生的人们首当其冲地承受着日益恶化的危机。几十年来，在墨西哥湾捕鱼的虾虾们承担着世界上最大的海洋“死区”之一的成本，农业径流从中西部经密西西比河流入墨西哥湾，造成约 24 亿美元的损失每年。俄勒冈州沿海和切萨皮克湾、北欧和东亚也存在类似的死区。
根据一些估计，多达 10% 或更多的海洋现在是死区。
由于全球变暖，它们也变得越来越大，并且到达得更早。例如，今年夏天墨西哥湾的死亡区是有记录以来最大的死亡区，面积相当于康涅狄格州，这是一个16,400 平方公里(6,334 平方英里)的墓地，鱼类和其他水生生物无法在这里生存找到足够的氧气来生存。
“它不会消失。它有一个州那么大，而且已经存在了 30 年，”忧思科学家联盟的经济学家丽贝卡·博姆 (Rebecca Boehm) 说，她撰写了一篇关于海湾死区对渔业生计影响的论文。“这就像我们在做什么?精神错乱的定义是让这种事情一遍又一遍地发生。”
营养过剩的威胁并不新鲜，人们早就认识到了这种风险。自 1970 年代以来，一些地区已经制定了限制氮和磷污染的法规，在有执行这些法规的政治意愿的地方，它们已经显示出效果。
但科学家们表示，这些零碎的成功远不及扭转损害所需的规模。
研究人员说，对于氮而言，行星边界不仅被越过——它还被打破了。气候变化是占据大多数头条新闻的边界，但营养物质流失，科学家称之为“生物地球化学流动”，是一场无名的危机，已经在破坏生态系统以及世界各地依赖生态系统的人们，而且几乎可以肯定变得更糟。
“这门科学有点像 20 年前的气候，科学家们正在动员和强调一个问题，然后政策就会出台，”环境物理学家兼国际氮倡议主席马克萨顿说。“我认为，为了明确应对政策，首先必须非常清楚问题所在。”
对于农民、人类或地球来说，没有简单的答案
萨顿说，阻碍全球行动的一个关键问题是政策制定者解决氮污染问题的“碎片化”。
农业径流并不是将氮泵入生物圈的唯一途径。当化石燃料燃烧时，它也会以一氧化氮的形式释放到大气中，并且还会被农田上的细菌转化为另一种气体，即一氧化二氮。两者都是温室气体，后者作为导致气候变化的温室气体的威力是二氧化碳的300 倍。
一氧化二氮对臭氧层也有腐蚀性，但尽管存在这种威胁，但它并未包含在《蒙特利尔议定书》中，萨顿说这是全球环境政策对氮和磷污染控制不连贯和无效的象征。
“根据您所在的国家/地区，假设一氧化二氮约占您温室气体总排放量的 5%，或者更多。但[那甚至] 是讨论的 5% 吗?据我所知，它更像是零——它完全被遗忘了，”他告诉 Mongabay。
直到最近，氮径流进入水道及其排放到大气中的问题被视为单独的问题。如果没有协调一致的全球计划，应对这些问题的政策就会变得漫无目的，或者在许多情况下积极地适得其反。例如，对涉及氮的国家法律法规的一项分析发现，其中四分之一是为了刺激更多地使用化肥以提高作物产量。
根据地区的不同，这可能不是问题。例如，非洲缺磷和氮，而美国、印度和中国则严重过剩。但是，由于缺乏关于养分使用、分配和浪费的有效全球政策，过度使用化肥的后果几乎完全被经济增长和养家糊口的需求所掩盖。
“国家政策制定者面临的挑战是平衡粮食安全问题和环境问题，”张说。
科学家说，消费者可以做的一件事是减少食物浪费和肉类消费。为牲畜生产饲料往往需要大量的肥料，而肉类到达盘子的营养量低于蔬菜和谷物。“饲料中只有一小部分氮转化为牲畜的肉，”张说。“这是一个非常低效的系统。”
但是，虽然消费者可以扮演次要角色，但从长远来看，如果不面对我们种植和生产食物的方式，营养污染危机就无法解决。然而，不会有简单的答案。我们的数据世界估计，如果没有合成肥料，人类只能维持其目前人口的一半左右。这些肥料可能正在毒害世界的湖泊和海洋，但数十亿人也需要它们才能生存。
缓慢的觉醒
与其他行星边界一样，政策制定者在把握氮和磷污染的潜在灾难性影响方面进展缓慢。那些已经开始认识到问题严重性的人发现，几乎没有什么合适的方法可以解决这个问题。与化石燃料公司一样，工业农业企业拥有巨大的政治和经济权力，更重要的是，要立即大幅减少化肥使用量而不造成粮食不安全风险，没有捷径可走。
相反，萨顿说，更现实的策略是关注浪费而不是过度使用。通过适应性农业技术和更好的废物管理来减少氮和磷的泄漏在政治上可能更容易出售，研究表明，相当一部分营养物质可以回收利用，而不是不小心释放到生态系统中。
可以在全球推广和实施的现有做法的一些例子包括种植在收获后在土壤中保持营养的“覆盖作物”，实行固氮豆类的间作，加强粪便储存，以及引入农林业缓冲。区，以及正在讨论的其他提案。研究表明，通过应用其中一些解决方案，甚至可以在不牺牲产量的情况下减少肥料的投入。
“我们的信息是它在财务上是好的，所以如果你看一下世界上的氮污染总量，仅以氮的价格计算，甚至不考虑健康和生态系统的成本，你就会得到大约 2000 亿美元的氮污染。浪费了氮气，”萨顿说。“如果你将氮废物减半，你就可以为循环经济节省 1000 亿美元。”
对于磷来说，找出减少浪费的方法是至关重要的另一个原因。与氮不同，没有办法制造磷。几乎全部都在北非开采，摩洛哥控制着世界近四分之三的储量，其中一些位于被占领和有争议的西撒哈拉。虽然没有立即耗尽的威胁，但供应是有限的，并且会在某个时候耗尽。
麦吉尔大学可持续科学加拿大研究主席埃琳娜·贝内特 (Elena Bennett) 表示：“我们面临的情况是，85% 的供应仅由五个国家控制，因此我认为我们应该认真考虑一下。”
减少营养浪费可以节省数十亿美元并保护地球，但实施新措施需要花钱。对于经常负债累累且经济上几乎无法生存的农民来说，进行这些改变将需要他们中的许多人没有的资本，尤其是在低收入国家。政府可能不得不介入以支付其中的大部分费用。
“农民非常脆弱。这不像他们有超高的利润率。他们中的很多人都在从事非农工作以赚取足够的收入来维持运转，因此无论我们做什么来解决这个问题，都必须有一些可以保护农民的解决方案，”贝内特说。
一些国家现在意识到问题的严重性，以及需要采取更严肃的全球应对措施，但到目前为止还没有取得太大的实质性进展。2019 年初，联合国在内罗毕通过了一项关于可持续氮管理的决议。但该措施既含糊又是自愿的，承诺“考虑在国家、区域和全球层面促进改善全球氮循环政策协调的选项。”
同年晚些时候，29 个国家签署了《科伦坡宣言》，承诺到 2030 年将氮废物减半。这一不具约束力的宣言以一首新的“氮之歌”庆祝，由来自印度的格莱美奖获奖音乐家 Ricky Kej 录制。就目前而言，氮和磷的巴黎协定似乎并不在不久的将来。
然而，将对氮危机产生决定性影响的是更熟悉的灾难：气候变化。
灾难的和谐
2018 年，一组科学家发布了一项研究，分析了全球 71 个湖泊的卫星图像。不同地区的结果是一致的：超过一半的证据表明藻类大量繁殖，而且情况越来越糟。少数出现恢复迹象的湖泊主要是那些大气温度也有所下降的湖泊。
“我们在所有湖泊中一致看到的唯一一件事是，唯一能够持续改善水质的是那些变暖较少的湖泊，”全球生态学部主任安娜米哈拉克说。卡内基科学研究所和该报告的合著者。
高温与藻类大量繁殖之间的关系并不完全简单。在较热的气候中，会有更多的降雨蒸发和水径流，这会减少输送到湖泊和海岸线的肥料养分量。但是一旦这些营养物质到达，温暖的湖泊通常会出现更严重的藻类爆发。
“一旦它们到达那里，海岸也是如此，较高的温度往往会加速浮游植物的生长，”Michalak 告诉 Mongabay。
近年来，气候变化引发的严重风暴已成为人们熟悉的生活特征，也将使问题变得更糟。强降雨将肥料径流从土壤中排出并将其输送到水道。如果预测海洋变暖将产生更强烈风暴的模型是准确的，这可能是一个非常糟糕的消息。
“世界上有大片地区已经相对湿润，预计会变得更湿，无论是在总降水量还是极端降水量方面，这些地区的降雨量变化会导致养分负荷增加，”米哈拉克说。
例如，美国中西部的倾盆大雨可能会使墨西哥湾沿岸的死区恶化。“如果你在有粪便或氮的贫瘠农田上发生这些极端降雨事件，那么它就会冲入河流并最终流入海湾，”忧思科学家联盟的 Boehm 说。
如果极端天气事件在未来几年恶化，即使大规模实施，也将阻碍减少营养流失的努力。经过数十年的过度使用，即使在世界采取行动的最佳情况下，合成肥料的遗产也将保留数年或数十年。
“无论我们喜欢与否，我们都在走向那里，仅仅因为我们在过去 70 年里在农业土壤中积累了如此多的磷，”贝内特说。“这是一艘非常缓慢的船调头......有成吨的成吨的东西就坐在土壤中等待被这些夏季大风暴中的一个撞到下游。”
气候变化与氮和磷危机的融合——全球变暖的藻类大量繁殖和地球湖泊和海洋缺氧的威胁——是另一个闪烁的环境警示灯。这也提醒人们一个不可避免的事实：对生物圈生命支持系统之一造成的损害将不可避免地且不可预测地被其他地方造成的损害放大。
与两次危机之间的联系一样令人担忧，萨顿表示，他希望政策制定者意识到威胁的规模，并引用了《科伦坡宣言》作为取得进展的一个例子。但截至目前，指针仍然指向错误的方向，时间不多了。
如果历史有任何指导意义，那么有些不安是理所当然的。今天科学家指出，许多地球上的最严重的生物多样性灭绝事件-包括晚奥陶世灭绝事件和二叠纪末生物事件是消灭了所有物种的90%-由之前普遍海洋缺氧。相比之下，地球上新生命的寒武纪大爆发是由海洋氧含量增加催化的。
奥陶纪晚期和二叠纪末期的居民无法控制自己的命运。我们的确是。
