近日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）張錫輝教授課題組發文在學界首次從磷化氫角度系統解析自然界磷迴圈現象，清晰地揭示了磷化氫在全球生態調控中的重要作用。

自然界磷迴圈

現代化的人類生活方式已經嚴重影響地球大氣環境和生態系統，導致氣候極端變化。因此，從科學層面揭示現代文明社會對全球氣候影響的作用機制，重新審視並調整人類與自然之間的相處行為模式，才能使人類走向生態文明和可持續發展的未來。

該論文揭示了磷化氫在全球生態和大氣系統中迴圈調控的動力學方式，以及大型水利工程對磷迴圈的深遠影響，並指出了目前汙水處理廠的現有除磷技術對磷資源不合理的回收利用問題，從技術上將汙水中更多的磷轉化為磷化氫，從而促進全球磷迴圈的可持續發展。

自1988年在汙水處理廠汙水中檢測到磷化氫以來，世界各地的學者進行了大量包括陸地、海洋、極地、城市等環境的調查研究，研究結果表明磷化氫在自然環境中普遍存在。城市和人口稠密地區的磷化氫濃度高於農村地區的磷化氫濃度，甚至在南北極的空氣樣本中也發現了出乎意料的高濃度磷化氫。磷元素以氣態磷化氫（PH3）方式參與全球迴圈，因此參與全球生態體系中磷的調控，是影響全球氣候變化的重要因素，是全球生態系統生存和演化的重要驅動力。

世界各地氣體磷化氫的濃度分佈

在鮮活的生命體或自然生態系統中，磷元素通常以磷酸鹽方式存在，積極參與生物和生態代謝過程。但是，當生命體死亡或生態系統衰落，有機體腐爛，產生厭氧環境，厭氧細菌則利用腐爛的有機體作為電子供體，將磷酸鹽還原為磷化氫氣體，使得磷元素能夠逃離原有的環境，進入大氣環境。在大氣層，僅有約10%的磷以磷化氫的形式存在，絕大部分磷化氫在陽光、溫度和雷電作用下，被氧氣氧化成為氧化磷顆粒，並能夠溶解到高空中的水汽團中，隨著大氣環境遠距離漂移，繼而以雨水方式重新降落地面，澆灌植物，重新進入生態系統和生命體。

大型水利工程和大規模水資源調配專案對磷化氫遠距離遷移有著重大的影響。據報道，三峽水庫工程建成投入使用以後，中國西北部的戈壁沙漠正在逐漸變綠。論文作者推測其原因可能類似於太湖中磷化氫遷移轉化過程，大量有機物沉積在三峽水庫底泥中，其中磷元素被厭氧細菌還原為磷化氫，以氣體形式“逃逸”到水庫上空水汽團中，並攜帶磷化氫、氧化磷和植物種子等，一併運移到西北地區，促進了我國西北高原地區逐漸復綠。

在現代城市中，城市汙水處理廠通常是將磷酸鹽轉移到活性汙泥微生物細胞中，然後以汙泥的形式進行焚燒發電。這種工藝技術雖然能夠回收能源，但是將磷酸鹽以粉塵和殘渣方式遺留在垃圾焚燒廠附近的地表，阻礙了磷元素進入大氣迴圈和生態系統，嚴重影響了磷資源的全球迴圈，從而破壞了自然生態系統的繁衍進化。該研究指出，傳統城市汙水處理廠工藝技術迫切需要改進，即將有機汙染物、總氮和總磷轉為二氧化碳、氮氣、磷化氫等氣態物質，使磷重新回到自然界中，使汙水處理廠成為全球磷迴圈和全球生態網路的一部分。同時，運用新的汙水處理工藝技術還可以大幅度減少汙泥產生量，節省投資和執行成本，產生良好的社會效益和經濟效益。

上述研究成果以題為“基於磷化氫的全球生態系統磷迴圈動力學分析”（Global Phosphorus Dynamics in terms of Phosphine）的論文釋出在《自然》（Nature）合作期刊《npj-氣候與大氣科學》(npj Climate and Atmospheric Science)上。

本論文第一作者為清華-伯克利深圳學院博士後付宛宜，論文通訊作者為張錫輝教授。