Phosphorus Economics – a Review

Abstract

Adding mineral Phosphorus fertilizers to fields has fueled the Green revolution since the early 1960ies. The formerly limited yields could be enhanced by factor 3 or more using the same area but fertilizing the arable land. Ecologists observed that P accumulates in soils and in surface and coastal waters causing environmental disturbances such as eutrophication and oxygen depletion e.g. in the Baltic Sea and the Chesapeake Bay already in the late 1980ies. Environmental and ecological economists saw in these developments a new example for external effects causing social costs that should be avoided. Scientists from various disciplines dealt with the effects to the environment and how these impacts can be mitigated. Whereas the rate of P application to fields stagnates due to over-fertilization in the Europe already in the 1990ies and continues on a lower rate the use of P in other parts of the world still let the demand on P increase by about 1.4 percent annually. Economists observed price spikes in P fertilizers twice in the 60 years history of exploitation of the P rock reserves in the 1970ies and 2008. According to economic theory increasing prices may indicate a beginning shortage of the resource. If P is getting scarce the Green Revolution would end, the yields may drop down and there would not be enough food to the increasing world population and to feed the livestock and dairy stock. In case of scarcity and allocation of the remaining reserves extends the P problem from the environmental to the economic sphere. The paper deals with the importance of P to life, the broken P cycle, the peak P model, the dimension of the P related food problem, the inefficient P use, the uneconomic P fertilization in fields, new P stocks and solutions to avoid food shortage in future due to the predicted P endowment.

Майже для всіх процесів життєдіяльності фосфор має важливе значення. ДНК, РНК, жирні кислоти, зуби, кістки, мітохондріальна енергетична система перетворення АДФ (аденозин-5′- дифосфат) на клітинному рівні – всі ці процеси потребують або базуються на використанні різних сполук фосфору. Таким чином, його неможливо замінити. З іншого боку, занадто велика кількість фосфору може завдати шкоди здоров’ю людини або стійкості екосистем. У природних екосистемах фосфор, як і більшість інших поживних речовин, в основному утворюється в результаті природних процесів формування органічних сполук фосфору із біомаси. Частина фосфору змивається поверхневими стоками та, проникаючи в ґрунтові води, потрапляє в озера або морські екосистем. Таким чином, екосистеми більш-менш збалансовані завдяки постійним процесам формування поживних речовин, таких як фосфор. Фосфорний баланс у екосистемах підтримується завдяки постійній циркуляції води. Якщо запаси фосфору не поповнювати, утворюється його дефіцит, і тоді втрати потрібно компенсувати штучно. Раніше цикли виробництва, споживання і накопичення відходів мали здебільшого локальний або регіональний характер. Фосфорні сполуки утворювались із залишків тварин або компосту. Цикли змінюються, якщо обсяги постачання сільськогосподарських культур (тварин) у міста перевищують обсяги формування поживних речовин з харчових відходів та стічних вод. Відтак в середовищах, що розташовані в низинах річок, поживних речовин не вистачає. Таким чином, втрати фосфорних сполук зростали в геометричній прогресії з кінця ХІХ ст. У ті часи тільки близько 30 % населення планети проживало у містах. У Європі ситуація змінювалася впродовж 30–50 років. На початку ХХ ст. уже майже 70 % населення проживало у містах. Така зміна викликала зовсім інший характер формуванням потоків матерії й енергії, відтак змінилися й регіональні цикли. Використання мінеральних добрив компенсувало збитки від втрат фосфору в регіональних циклах, починаючи з 1950–60-х років. Як правило, використання добрив для збагачення сільськогосподарських угідь перевищувало обсяги природного рівня формування фосфору. Сьогодні попит сільського господарства на фосфорні добрива більший, аніж природний рівень його відновлення. Таким чином, передбачається, що проблему забезпечення високого рівня споживання можна вирішити тільки шляхом видобутку й перероблення невідновлювальних мінеральних і фосфатних порід у фосфорні добрива. Глобальний річний обсяг виробництва фосфоритів збільшився майже в два рази у період із 1970 по 2010 рік. «Зелена» революція спричинила постійно зростаючий попит на фосфорні добрива. Підвищений рівень використання фосфорних добрив, на жаль, не сприяє збільшенню врожайності. Фосфор у значних обсягах накопичується у ґрунтах, потрапляє у стічні води, на сміттєві звалища або безпосередньо у відкриті водойми. У результаті виникають значні економічні проблеми. Таким чином, кращою економічною стратегією є зведення до мінімуму або припинення використання мінеральних фосфорних добрив, що включає: 1) істотне скорочення обсягів виробництва фосфорних добрив з апатитових руд або з ядерних відходів; 2) використання «нових» природних запасів фосфору, що утворились в результаті розпаду сільськогосподарських культур за останні 50 років; 3) зменшення зовнішніх впливів на навколишнє середовище, рівня забруднення поверхневих вод і втрат ґрунту; 4) закриття регіональних «чистих» циклів виробництва фосфорних добрив. Така стратегія є оптимальною і може принести певні соціальні ефекти. Якщо б витрати, пов’язані з формуванням екстернальних ефектів, включались у ціну фосфорних добрив, і при цьому застосовувався принцип «забруднювач платить», то їх би просто не купували. Використання фосфорних добрив було б негайно припинено, оскільки їх використання нерозривно пов’язують із забрудненням навколишнього середовища токсичними елементами і сполуками. Використання цих сполук, дійсно, завдає шкоди продовольчій безпеці, погіршує якість питної води і шкодить здоров’ю людини. Таким чином, використання фосфорних добрив – це питання еколого-економічної безпеки.

Почти для всех процессов жизнедеятельности фосфор имеет важное значение. ДНК, РНК, жирные кислоты, зубы, кости, митохондриальная энергетическая система преобразования АДФ (аденозин-5′-дифосфат) на клеточном уровне – все эти процессы требуют или базируются на использовании различных соединений фосфора. Таким образом, его невозможно заменить. С другой стороны, слишком большое количество фосфора может нанести вред здоровью человека или устойчивости экосистем. В природных экосистемах фосфор, как и большинство других питательных веществ, в основном образуется в результате естественных процессов формирования органических соединений фосфора из биомассы. Часть фосфора смывается поверхностными стоками и, проникая в грунтовые воды, попадает в озера или морские экосистемы. Таким образом, экосистемы более или менее сбалансированы благодаря постоянным процессам формирования питательных веществ, таких как фосфор. Фосфорный баланс в экосистемах поддерживается благодаря постоянной циркуляции воды. Если запасы фосфора не пополнять, образуется его дефицит, и тогда потери нужно компенсировать искусственно. Ранее циклы производства, потребления и накопления отходов имели преимущественно локальный или региональный характер. Фосфорные соединения образовывались из остатков животных или компоста. Циклы меняются, если объемы поставок сельскохозяйственных культур (животных) в города превышают объемы формирования питательных веществ из пищевых отходов и сточных вод. Поэтому в средах, расположенных в низовьях рек, питательных веществ не хватает. Таким образом, потери фосфорных соединений росли в геометрической прогрессии с конца XIX в. В те времена только около 30 % населения планеты проживало в городах. В Европе ситуация менялась в течение 30–50 лет. В начале ХХ в. уже почти 70 % населения проживало в городах. Такое изменение вызвало совсем другой характер формированием потоков материи и энергии, поэтому изменились и региональные циклы. Использование минеральных удобрений компенсировало ущерб от потерь фосфора в региональных циклах, начиная с 1950–60-х годов. Как правило, использование удобрений для удобрения сельскохозяйственных угодий превышало объемы природного уровня формирования фосфора. Сегодня спрос сельского хозяйства на фосфорные удобрения больше, чем естественный уровень его восстановления. Таким образом, предполагается, что проблема обеспечения высокого уровня потребления можно решить только путем добычи и переработки невозобновляемых минеральных и фосфатных пород в фосфорные удобрения. Глобальный годовой объем производства фосфоритов увеличился почти в два раза в период с 1970 по 2010 год. «Зеленая» революция вызвала постоянно растущий спрос на фосфорные удобрения. Повышенный уровень использования фосфорных удобрений, к сожалению, не способствует увеличению урожайности. Фосфор в больших объемах накапливается в почвах, попадает в сточные воды, на мусорные свалки или непосредственно в открытые водоемы. В результате возникают значительные экономические проблемы. Таким образом, лучшей экономической стратегией является сведение к минимуму или прекращения использования минеральных фосфорных удобрений, включающей: 1) существенное сокращение объемов производства фосфорных удобрений из апатитовых руд или из ядерных отходов; 2) использование «новых» природных запасов фосфора, образовавшихся в результате распада сельскохозяйственных культур за последние 50 лет; 3) снижение внешних воздействий на окружающую среду, уровня загрязнения поверхностных вод и потерь почвы; 4) закрытие региональных «чистых» циклов производства фосфорных удобрений. Такая стратегия является оптимальной и может принести определенные социальные эффекты. Если бы расходы, связанные с формированием экстернальных эффектов, включались в цену фосфорных удобрений, и при этом применялся принцип «загрязнитель платит», то их бы просто не покупали. Использование фосфорных удобрений было бы немедленно прекращено, поскольку их использование неразрывно связывают с загрязнением окружающей среды токсичными элементами и соединениями. Использование этих соединений, действительно, наносит ущерб продовольственной безопасности, ухудшает качество питьевой воды и вредит здоровью человека. Таким образом, использование фосфорных удобрений – это вопрос эколого-экономической безопасности.