谷物磷肥利用效率空间格局与可行提升潜力研究取得进展

磷是作物生长必需且不可再生的营养元素，对全球粮食安全至关重要。然而，全球农田磷肥利用效率（PUE）长期偏低：一方面加速了有限磷矿资源的耗竭，另一方面导致农田磷素流失和水体富营养化。已有研究表明，调整施肥方式、多样化种植制度、保护性耕作等管理措施可以提高PUE，但其效果因环境条件和经济社会背景而异，缺乏可预测的评估框架，制约了全球尺度上磷管理潜力的科学评估。

对此，中国科学院南京土壤研究所研究员梁玉婷团队联合南京大学、荷兰瓦赫宁根大学、新西兰林肯大学、浙江大学、美国俄克拉荷马大学等国内外科研机构，整合了来自58个国家、153个站点的1259组田间观测数据，构建机器学习模型，在5弧分分辨率上绘制了玉米、水稻、小麦三大谷物的全球PUE空间分布图，并建立了涵盖作物吸磷安全、环境适宜性和采纳障碍的三层可行性约束框架，系统评估了现实条件下全球农田PUE的可行提升潜力。

研究发现，全球玉米、水稻、小麦的平均PUE分别为25.1%、25.0%和24.2%，空间差异显著：非洲最低（19.8%–21.1%），亚洲（25.3%–27.0%）和欧洲（25.0%–27.4%）相对较高。驱动因子分析表明，管理措施（施肥量、肥料类型、施肥方式和种植制度）与土壤性质对PUE的贡献大体相当，而气候因子的贡献相对较小。富铁铝氧化物、固磷能力强的土壤PUE明显偏低。

在无约束条件下，优化管理措施的PUE技术潜力可达14.1%–14.8%，但依次施加三层可行性约束后，可行提升潜力降至5.2%–6.0%（玉米6.0%、水稻5.2%、小麦5.8%）。其中，在三类约束造成的总潜力损失中，采纳和经济障碍占91.4%–93.4%，远高于环境约束（4.1%–6.4%）和作物吸磷约束（2.0%–2.4%），表明技术推广门槛和经济成本是技术提升潜力转化为可行提升的主要瓶颈。在各项管理维度中，种植制度调整贡献最大（1.8%–2.4%），其次为肥料类型（1.3%–1.5%）。有机肥与轮作的组合在三大作物上均表现出稳定的协同增效作用，而传统矿质肥料与表面撒施的组合则表现为拮抗效应。

微生物肥料（即常规矿质磷肥与微生物菌剂配合施用）具有较为明显的PUE提升潜力。然而，受温度、土壤pH和有机碳条件限制，纳入分析的全球农田中仅有48.8%–54.2%满足环境适宜性条件。综合考虑三层可行性约束后的可行方案中，微生物肥料占比为3.8%–7.4%。这表明微生物菌剂具有提效潜力，但其推广需要充分考虑区域环境和采纳障碍。

在土壤遗留磷高的地区，可在保障作物吸磷安全的前提下适度减施磷肥，既利用历史积累的土壤磷库，又降低磷流失风险。在遗留磷低的地区，PUE提升则主要依靠管理措施优化而非减量施肥。

该研究建立了空间显式的农田PUE评估与可行性约束框架，为全球和区域尺度的差异化磷管理提供了科学依据，推动磷管理研究从“效率评估”走向“可实施策略”，对协调磷资源可持续利用、农业面源污染防治和粮食安全具有重要意义。

上述研究成果以“Global patterns and feasible improvement potential of phosphorus use efficiency in cereal croplands”为题发表在Nature Food上。南京土壤研究所孙诣深、胡汗和南京大学谭荣熙为论文共同第一作者，梁玉婷研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国科学院青年科学家基础研究项目、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

论文链接

图1：全球玉米、水稻和小麦PUE空间格局及其主要驱动因素

图2：三层可行性约束下全球农田PUE提升潜力及微生物肥料环境适宜性