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主要内容

磷循环

磷在生物圈中的缓慢循环。含磷化肥是如何导致水生死亡区。

要点

  • 磷是一种重要的营养物质,存在于人类和其他生物的大分子中,包括DNA
  • 磷的循环是缓慢的。自然界中大多数磷以磷酸盐离子——PO43的形式存在。
  • 在水生生态系统中,磷通常是限制性养分,或者是最缺乏的营养物质,因此限制了生长。
  • 当化肥中的氮和磷通过径流进入湖泊和海洋时,它们会导致富营养化,即藻类的过度生长。藻类可能会耗尽水中的氧气,形成一片死亡地带

介绍

磷重要吗?这取决于你是否喜欢在你的身体里含有DNA、细胞膜或骨骼?提示:答案可能是肯定的!
磷是生物体必需的营养物质。它是包括 DNA 的核酸和构成细胞膜的磷脂的关键组成部分。作为磷酸钙,它也构成了我们骨骼的支撑成分。
在自然界中,磷通常是限制性养分——换句话说,是供应最少的养分,限制了生长——对于水生淡水生态系统尤其如此。

磷的自然循环

与水、碳、氮等其他生物地球化学循环相比,磷循环较慢。1
在自然界中,磷主要以磷酸盐离子——PO43的形式存在。在沉积岩中可以发现磷酸盐化合物,且随着岩石在很长一段时间内风化,它们所含的磷会慢慢渗入地表水和土壤。火山灰、气溶胶和矿物粉尘也可能是重要的磷酸盐来源,但是磷不像碳、氮和硫等其他元素,磷没有真正的气态。
土壤中的磷酸盐化合物可以被植物吸收,并从那里转移到以植物为食的动物体内。当动植物排泄废物或死亡时,磷酸盐可能被有害物质吸收或返回土壤。含磷化合物也可以在地表径流中携带到河流、湖泊和海洋,在那里它们被水生生物吸收。
当含磷化合物从海洋生物的身体或废物沉到海底时,它们形成新的沉积层。在很长一段时间内,含磷沉积岩可能通过一种称为隆起的地质过程从海洋移到陆地上。然而,这个过程非常缓慢,平均每个磷酸盐离子在海洋中停留的时间为2万到10万年。
这张图显示了磷循环。磷从火山气溶胶进入大气。当这种气溶胶沉淀到地球时,它就进入了陆地食物网。一些来自陆地食物网的磷溶解在溪流和湖泊中,其余的进入土壤。磷的另一个来源是化肥。磷通过滤取和径流进入海洋,溶解在海水中或进入海洋食物网。一些磷落到了海底,在那里变成了沉积物。如果发生抬升,这些沉积物就会返回陆地。
图像来源: 生物地球化学循环:图5 作者 OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 4.0; 改自 John M. Evans and Howard Perlman, USGS

富营养化和死亡地带

大多数农业肥料——以及草坪和花园中使用的肥料——都含有氮和磷,它们可能通过地表径流被带到水生生态系统中。径流中携带的肥料可能会导致藻类或其他微生物的过度生长,而这些微生物以前受到氮或磷的限制。这种现象被称为富营养化。至少在某些情况下,磷,而不是氮,似乎是富营养化的主要驱动力。2
为什么富营养化有害?一些藻类使水的味道或气味变差或产生有毒化合物。2 同样,当所有这些藻类死亡并被微生物分解时,大量的氧气被消耗掉,因为它们的身体被分解了。氧气使用量的激增会大大降低水中溶解氧的含量,并可能导致其他水生生物(如贝类和鳍类)缺氧而死亡。
由于营养物质流入而缺氧的湖泊和海洋区域被称为死亡地带。多年来,死亡地带的数量一直在增加,其中有400多个区域在2008年就已经存在。最严重的死亡区之一位于美国墨西哥湾沿岸。密西西比河流域的化肥径流造成了超过8,463平方英里的死亡地带。如下图所示,世界各地的高工业化和人口密度地区都有死亡地带。
世界地图显示了死亡地带。在美国东海岸和西海岸,在北部和地中海,以及亚洲东海岸,都存在着死亡地带。
图片来自: 生物地球化学循环:图6 作者 OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 4.0; 原作: Aquatic dead zones 作者 Robert Simmon and Jesse Allen, NASA Earth Observatory
如何减少或预防富营养化?肥料、含磷洗涤剂和污水处理不当都可能是导致富营养化的氮和磷的来源。使用更少的肥料,去除含磷的洗涤剂,确保污水不进入水道。个人、公司和政府都可以通过各种方式帮助减少富营养化。3,4

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