【量化历史研究】中国历史上的磷循环：1600-2012年中国历史上如何让国人填饱肚子始终是困

本文为“量化历史研究”第 186 篇推送

作者绘制的磷循环动态演化示意图

中国历史上，如何让国人填饱肚子始终是困扰统治者的关键问题。而作为限制作物高产的关键元素，磷却在中国三分之二的土地上呈不足状态，特别是北方地区石灰性土壤上磷营养缺乏尤为严重。因此，增施磷肥是改善农业生产的主要手段。

但是，磷矿资源极度紧缺，而且中国利用磷矿的历史也不过百年，甚至在1937年南京永利公司投产之前，中国都没有自己的化肥工业，历史时期农业磷元素的补充只能依靠自然循环和农家肥补充。在之前的研究中，环境史学者常有所谓中国农业“耗竭地力”的说法。那么，磷在中国历史上究竟是怎样的状态，是需要进一步研究的。

Xin Liu和Hu Sheng等于2016年发表在PNAS的论文“Intensification of phosphorus cycling in China since the 1600s”，首次模拟了中国自1600年到2012年系统的磷循环动态演变格局。

作者沿用团队之前所构架的国家尺度上的磷循环研究框架，包括14个组成部分和其中的102个磷循环物质流或者存量变化单元。继而，作者分三个时间段收集人文和自然数据，也通过过去的自然实验数据采用了一些参数。长时段的人类活动数据和自然环境数据，还存在一些数据难以查找和估算的环节，但大多在前工业社会规模较小、作用不大，可以忽略。由此通过取舍，作者构建了一个中国17世纪以来相当程度完备的磷循环动态模型。

图1 部分论文数据来源

磷循环作为一个系统，在界定中国地理界限后，其各个过程中的输入输出都可以计算。特别是考虑到近代之前几乎不存在磷矿的利用开发，仅仅只有经风化和淋溶作用的磷作为输入量进入系统中，作者根据物质流分析（(Material Flow Analysis，MFA)方法，可以明晰地推算出磷是如何在规模日益扩大的人类活动参与中得以循环的（14个循环过程中，人类直接或者间接参与到的达13个!）。

物质流分析法的核心公式“input = output + change in stock” ，即基于磷循环系统内部物质质量守恒的原则，所有环节的磷动态可以通过三种手段估算出来：（1）独立法（independent calculation），部分环节中磷变化相对独立，可根据参数和宏观的人类活动数据直接估算；（2）后置法（dependent calculation），这些环节的磷流来自于其他环节；（3）平衡法（systemic balance），因为质量守恒，未知的磷流可通过已知环节的数量变化推算出来。通过看似复杂繁琐但其实并不困难的计算，磷的历史动态过程即可刻画出来。

研究结果表明，20世纪中叶之前，磷灰岩风化的磷相对稳定，每年大概是0.3T吨左右；而谷物和动物吸收的磷从1600年到1900年有了巨幅变化，谷物从0.44T到0.81T吨，动物从4.7G到13.3G吨；而磷矿的人工开采，即使到1960年也不过0.1T的级别，磷循环在过去四个世纪的人工过程干预下存在巨大的缺口。

而在过去四个世纪内，人均磷摄入量维持基本不变的情况下，谷物所贡献的磷元素比例从98%下降到76%，人类食物消费结构呈现由植物型向动物型转变的趋势，并且伴随着社会向工业文明转型的总体进程，磷资源的生命周期（磷循环的环节）越来越长，中间过程中的耗失增多，磷的损失量加剧。

图2 (A)中国主要磷流变化；(B)磷矿石生产与消费结构变化；(C)主要食物磷需求变化；(D)磷矿石及主要含磷产品进出口变化；(E)土壤磷库存变化；(F)地表水体磷输入变化

因此，一方面是磷的日益不足，另一方面是磷的损失越来越严重。作者还根据显性分解因子构建了磷流失导致的富营养化的空间分异图。高富营养化潜能主要集中在经济发达和人口密集的沿海地区，特别在长江中下游流域尤为严重。

图3 中国2012年的富营养化潜能空间分异

Liu等通过历史数据构建了四个世纪以来的磷循环过程模型，分析了各环节中的磷平衡情况，特别是探究了人类活动的影响，并考察了历史过程中伴随的富营养化潜能和空间分异。在过去四个世纪中，中国不断增长的人口和饮食结构的变迁，使得磷在人工环境所主导的内陆河流和耕地中的流动规模越来越大，损失也不断加剧，出现了需要国际贸易才能满足的磷缺口。

四个世纪以来的磷循环，折射出中国人口的巨幅增长和生活方式的变迁，以及随之带来的巨大的环境压力。环境学者也给来自社科领域的量化历史研究一些启发，即相对复杂的历史过程可以通过系统论的方法，化繁为简、抽丝剥茧地一缕缕检出头绪。

文章来源：Liu, X., et al. Intensification of phosphorus cycling in China since the 1600s, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， Vol.113(10),2016.

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