我们经常听到一个说法，“中国用全球9%的耕地养活了21%的人口，同时用掉了33%的化肥”。在化肥的“助攻”下，我们不会饿肚子，但是，如何在资源和环境压力下更好地利用化肥，正成为新的课题。

（图片来源：veer图库）

比如“化肥三大件”（氮磷钾）中的磷肥，就面临着磷资源短缺、磷肥利用率低等问题。

日前，中国科学院华南植物园的一项研究表明，在人们施加的无机磷肥中，只有约12.6%被植物吸收了，那些没有被利用的，它们又去哪儿了？我们要怎样改变这种情况呢？

土壤里的磷从哪里来

磷是构成地壳的矿物质之一，主要以磷灰石的形式存在，这种矿物含有较高的磷含量。随着地壳运动和风化作用，磷灰石逐渐释放出磷元素，进入土壤，成为植物可吸收利用的养分。在自然界中，磷是循环不息的，它从岩石到土壤，再通过植物吸收，最终回归大地。

磷不仅是地质作用的产物，也是生物循环的重要的组成部分。在生物体内，磷是构成DNA、RNA、ATP等生物分子的关键元素，对生物的生长和繁殖至关重要。磷在植物体内能量转换、细胞分裂、根系发展、花果形成和抗逆性方面扮演着重要的角色。如果缺少磷，植物会出现生长缓慢、叶片变暗、根系发育不良、开花和结果减少及叶片和茎变脆等现象。

随着人类对农业的依赖和对作物产量的追求，天然土壤中的磷含量逐渐不能满足作物生长的需求，必须要额外使用磷肥来提供植物生长所需的磷元素。

农业生产中使用的磷肥有两种：有机磷肥和无机磷肥。有机磷主要来源于动植物残体、有机废弃物等，通过微生物分解转化为植物可吸收的磷，可以说是最早被人们利用的磷肥。而化学合成的无机磷肥，其主要成分是磷酸盐，如磷酸二铵、磷酸一铵、过磷酸钙等。这些磷肥中磷以无机磷形式存在，容易被植物直接吸收利用。因此，相比有机磷肥，无机磷肥成本相对较低，施用效果快。

无机磷肥的生产是一个复杂的工业过程。首先，通过化学处理提取出磷酸。磷酸可以进一步加工成各种形式的磷肥，19世纪初，科学家们成功从磷灰石中提取磷元素，制造出适合农业使用的无机磷肥。这一发现标志着无机磷肥在现在农业中的广泛应用。

这就是常用的无机磷肥 ↓

无机磷肥种类（数据来源：CNKI）

磷肥带来的两个问题

无机磷肥的使用，虽然极大地提高了农作物的产量，但也带来了资源短缺和环境污染的考验。

世界磷矿储量近700亿吨，但是在地球上分布极不均匀，仅摩洛哥便占据全球储量的70%以上。人类对磷矿的消耗速度远远超过地球的成矿速度，全世界的无机磷肥年消耗量近2700万吨磷（约等于6000万吨磷肥）。一个非常可怕的事实是，参照目前全球对磷矿的需求，全球磷矿石的储量只够维持50至400年，这听起来比石油短缺还要急迫。曾经依靠出口磷肥（主要是鸟粪）过得非常滋润的小岛国瑙鲁现在已经无磷可卖，国家经济因此陷入困境。我国磷矿资源不足全球的5%，却生产和消费了全世界近30%的磷肥，未来磷资源可持续利用的压力十分严峻。

如果施肥过度，土壤中过量的无机磷会随水流失，导致了水体磷含量升高，而磷又是藻类生长的必需营养元素，这就是我们常说的“富营养化”，是一个可怕的连锁反应。

水中磷含量升高会让藻类大量繁殖。过量的藻类形成水华，覆盖水面，阻碍阳光照射到水下，影响水下植物的光合作用。藻类死亡后，其分解过程消耗大量溶解在水中的氧，而缺氧环境又会让水体生物（如鱼类和其他水生动物）大量死亡，水体中的有机物因此增多，导致水质恶化。长期的富营养化会破坏水生生态系统的平衡，影响生物多样性，成为很多地区的主要环境问题。

水体富营养化（图片来源：veer图库）

为了缓解磷资源的供需矛盾和由此引发的环境问题，迫切需要深入认识无机磷肥在陆地生态系统中的去向和主要影响因素。

只有12.6%的无机磷肥被植物吸收！

过去的研究表明，在所有陆地生态系统中，磷肥的主要去向有三种：被植物吸收、储存在土壤中和流失。但这些研究大多在局部尺度上进行，并且只关注磷添加对地上植物生产量的影响，或者只关注磷肥在陆地生态系统中的某一个去向，磷肥在全球陆地生态系统中的去向仍未在全球范围内被探索。

从全世界的维度看，磷肥到底去哪儿了呢？弄清这个问题，对农田磷肥管理具有重要指导意义。

中国科学家首次基于宏数据分析方法构建了一个关于磷添加实验中磷肥去向的全球数据库，整理了磷肥在植物吸收、土壤滞留和淋溶流失方面的占比。基于此数据库，量化分析了施用磷肥的去向，即植物吸收的、储存在土壤中的及流失的磷肥占总施加的磷肥的百分比，并综合分析了不同地点磷肥去向差异的影响因素。

研究发现，无机磷肥施入到土壤中主要有三大去向。

无机磷肥去向（图片来源：参考文献）

去向一，被植物吸收：大约12.6%的无机磷肥被植物吸收，并分配到植物生物量中，约4.3%的无机磷肥在植物衰老后可能转化为凋落物磷。

去向二，流失：约4.4%的无机磷肥可能通过径流和淋洗从生态系统中流失。

去向三，留在土壤中：约67.2%的无机磷肥滞留在土壤中。其中约14.5%的无机磷肥以活性磷形式存在；约15.5%的无机磷肥通过微生物固定和凋落物输入转化为土壤有机磷；还有约42.1%的无机磷肥以非活性无机磷形式存在。

无机磷肥具象化流转（图片来源：参考文献）

只有非常少部分的磷肥（约12.6%的磷肥）被植物吸收，这是研究得到的惊人的结论。

经过进一步分析，研究人员得出了两个影响磷肥利用效率的因素。

1. 施肥量

当土壤中现有的磷超过植物需求时，添加的磷肥并不总是加速植物磷吸收。在酸性或碱性土壤中，过量的磷容易被铁铝吸附固存或与钙离子发生沉淀，形成非活性磷不能被植物直接吸收。一旦土壤中非活性磷超过土壤的吸附阈值，添加的磷肥可能会增加磷淋洗或径流流失的风险。

此外，过量施用无机磷肥，虽然使土壤有效磷显著提高，但是此时植物生产力通常可能受到其他养分（例如氮供应）的限制，从而限制了植物对磷肥的吸收利用。这个道理类似木桶理论，桶能装多少水是由最短那块板决定的。

2. 土壤pH和容重

与中性土壤（pH 6~7）相比，酸性或碱性土壤中含有丰富的铁铝钙氧化物，能将磷肥吸附固定形成不能被植物直接吸收利用的非活性无机磷。酸性或碱性土壤一定程度上抑制了微生物活性，阻碍它们把有机磷矿化成活性无机磷。所以，酸性或碱性土壤中的有效磷低，施加无机磷肥后植物的磷肥使用效率将高于中性土壤。

土壤容重这个因素经常被忽略。土壤容重由土壤颗粒大小及有机质含量决定。在高容重土壤中，土壤高比例的砂粒（直径0.25~2 mm）对磷的吸附能力低，增加了降水加快磷流失的风险，可能造成土壤有效磷降低，当施加无机磷肥时，植物将吸收更多的磷肥相对于低容重土壤。此外，低容重的土壤具有高的孔隙度，具有更强的水分保持和供氧能力，这些改善了非活性磷的溶解和有机磷的矿化，从而提高土壤磷的有效性，这将减少植物对磷肥的吸收。

如何更好地利用磷肥？

针对我国乃至全球无机磷肥利用率低、磷资源短缺问题，结合研究，可以建议在未来磷肥施用过程中采取以下策略：

1. 适时适量施肥。根据植物需求和土壤肥力情况，合理确定施肥量；

2. 土壤pH的调整。在酸性或碱性土壤中，磷可能与土壤中其他元素结合，形成植物难以吸收的形式。通过调整土壤pH值至6~7的范围，可以提高磷的可利用性；

3. 改善土壤结构。增加土壤有机质，如堆肥和绿肥，可以改善土壤质地，促进土壤磷的释放和植物吸收。

4. 结合改善肥料配方、微生物菌剂及先进的管理技术，让磷肥的利用更加精准高效，减少对环境的影响。

磷肥施用示意图（图片来源：veer图库）

通过科学的土壤管理、合理的施肥策略和先进的农业技术，我们可以有效地提高磷肥的利用效率，不仅可以提升作物的产量和质量，还能减少环境污染，实现生态系统的可持续发展。

[1] Hou, E.Q. et al. (2020). Pervasive phosphorus limitation of aboveground plant production in natural terrestrial ecosystems. Natural Communications, 11, 637.

[2] Luo, X.Z. et al. (2024). The global fate of inorganic phosphorus fertilizers added to terrestrial ecosystems. One Earth, 7, 1402-1413.

[3] Sattari, S.Z. et al. (2012). Residual soil phosphorus as the missing piece in the global phosphorus crisis puzzle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109, 6348–6353.

[4] Walker, T.W., & Syers, J.K. (1976). The fate of phosphorus during pedogenesis. Geoderma, 15, 1–19.

[5] Yu, X. et al. (2021). Global analysis of phosphorus fertilizer use efficiency in cereal crops. Global Food Security, 29, 100545.

[6] Zou, T. et al. (2022). Global trends of cropland phosphorus use and sustainability challenges. Nature, 611, 81–87.

[7] Cordell, D., Drangert, J.O., White, S. 2009. The story of phosphorus: Global food security and food for thought. Global Environmental Change, 19, 292–305.

作者：罗先真

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