我們經常聽到一個說法，“中國用全球9%的耕地養活了21%的人口，同時用掉了33%的化肥”。在化肥的“助攻”下，我們不會餓肚子，但是，如何在資源和環境壓力下更好地利用化肥，正成爲新的課題。

（圖片來源：veer圖庫）

比如“化肥三大件”（氮磷鉀）中的磷肥，就面臨着磷資源短缺、磷肥利用率低等問題。

日前，中國科學院華南植物園的一項研究表明，在人們施加的無機磷肥中，只有約12.6%被植物吸收了，那些沒有被利用的，它們又去哪兒了？我們要怎樣改變這種情況呢？

土壤裏的磷從哪裏來

磷是構成地殼的礦物質之一，主要以磷灰石的形式存在，這種礦物含有較高的磷含量。隨着地殼運動和風化作用，磷灰石逐漸釋放出磷元素，進入土壤，成爲植物可吸收利用的養分。在自然界中，磷是循環不息的，它從岩石到土壤，再通過植物吸收，最終迴歸大地。

圖片來源：知乎

磷不僅是地質作用的產物，也是生物循環的重要的組成部分。在生物體內，磷是構成DNA、RNA、ATP等生物分子的關鍵元素，對生物的生長和繁殖至關重要。磷在植物體內能量轉換、細胞分裂、根系發展、花果形成和抗逆性方面扮演着重要的角色。如果缺少磷，植物會出現生長緩慢、葉片變暗、根系發育不良、開花和結果減少及葉片和莖變脆等現象。

隨着人類對農業的依賴和對作物產量的追求，天然土壤中的磷含量逐漸不能滿足作物生長的需求，必須要額外使用磷肥來提供植物生長所需的磷元素。

農業生產中使用的磷肥有兩種：有機磷肥和無機磷肥。有機磷主要來源於動植物殘體、有機廢棄物等，通過微生物分解轉化爲植物可吸收的磷，可以說是最早被人們利用的磷肥。而化學合成的無機磷肥，其主要成分是磷酸鹽，如磷酸二銨、磷酸一銨、過磷酸鈣等。這些磷肥中磷以無機磷形式存在，容易被植物直接吸收利用。因此，相比有機磷肥，無機磷肥成本相對較低，施用效果快。

無機磷肥的生產是一個複雜的工業過程。首先，通過化學處理提取出磷酸。磷酸可以進一步加工成各種形式的磷肥，19世紀初，科學家們成功從磷灰石中提取磷元素，製造出適合農業使用的無機磷肥。這一發現標誌着無機磷肥在現在農業中的廣泛應用。

這就是常用的無機磷肥 ↓

無機磷肥種類（數據來源：CNKI）

磷肥帶來的兩個問題

無機磷肥的使用，雖然極大地提高了農作物的產量，但也帶來了資源短缺和環境污染的考驗。

世界磷礦儲量近700億噸，但是在地球上分佈極不均勻，僅摩洛哥便佔據全球儲量的70%以上。人類對磷礦的消耗速度遠遠超過地球的成礦速度，全世界的無機磷肥年消耗量近2700萬噸磷（約等於6000萬噸磷肥）。一個非常可怕的事實是，參照目前全球對磷礦的需求，全球磷礦石的儲量只夠維持50至400年，這聽起來比石油短缺還要急迫。曾經依靠出口磷肥（主要是鳥糞）過得非常滋潤的小島國瑙魯現在已經無磷可賣，國家經濟因此陷入困境。我國磷礦資源不足全球的5%，卻生產和消費了全世界近30%的磷肥，未來磷資源可持續利用的壓力十分嚴峻。

如果施肥過度，土壤中過量的無機磷會隨水流失，導致了水體磷含量升高，而磷又是藻類生長的必需營養元素，這就是我們常說的“富營養化”，是一個可怕的連鎖反應。

水中磷含量升高會讓藻類大量繁殖。過量的藻類形成水華，覆蓋水面，阻礙陽光照射到水下，影響水下植物的光合作用。藻類死亡後，其分解過程消耗大量溶解在水中的氧，而缺氧環境又會讓水體生物（如魚類和其他水生動物）大量死亡，水體中的有機物因此增多，導致水質惡化。長期的富營養化會破壞水生生態系統的平衡，影響生物多樣性，成爲很多地區的主要環境問題。

水體富營養化（圖片來源：veer圖庫）

爲了緩解磷資源的供需矛盾和由此引發的環境問題，迫切需要深入認識無機磷肥在陸地生態系統中的去向和主要影響因素。

只有12.6%的無機磷肥被植物吸收！

以前的研究表明，在所有陸地生態系統中，磷肥的主要去向有三種：被植物吸收、儲存在土壤中和流失。但這些研究大多在局部尺度上進行，並且只關注磷添加對地上植物生產量的影響，或者只關注磷肥在陸地生態系統中的某一個去向，磷肥在全球陸地生態系統中的去向仍未在全球範圍內被探索。

從全世界的維度看，磷肥到底去哪兒了呢？弄清這個問題，對農田磷肥管理具有重要指導意義。

中國科學院華南植物園磷素研究團隊首次基於宏數據分析方法構建了一個關於磷添加實驗中磷肥去向的全球數據庫，整理了磷肥在植物吸收、土壤滯留和淋溶流失方面的佔比。基於此數據庫，量化分析了施用磷肥的去向，即植物吸收的、儲存在土壤中的及流失的磷肥佔總施加的磷肥的百分比，並綜合分析了不同地點磷肥去向差異的影響因素。

研究發現，無機磷肥施入到土壤中主要有三大去向。

無機磷肥去向（圖片來源：參考文獻）

• 去向一，被植物吸收：大約12.6%的無機磷肥被植物吸收，並分配到植物生物量中，約4.3%的無機磷肥在植物衰老後可能轉化爲凋落物磷。
• 去向二，流失：約4.4%的無機磷肥可能通過徑流和淋洗從生態系統中流失。
• 去向三，留在土壤中：約67.2%的無機磷肥滯留在土壤中。其中約14.5%的無機磷肥以活性磷形式存在；約15.5%的無機磷肥通過微生物固定和凋落物輸入轉化爲土壤有機磷；還有約42.1%的無機磷肥以非活性無機磷形式存在。

無機磷肥具象化流轉（圖片來源：參考文獻）

只有非常少部分的磷肥（約12.6%的磷肥）被植物吸收，這是本研究得到的驚人的結論。

經過進一步分析，研究人員得出了兩個影響磷肥利用效率的因素。

1. 施肥量

當土壤中現有的磷超過植物需求時，添加的磷肥並不總是加速植物磷吸收。在酸性或鹼性土壤中，過量的磷容易被鐵鋁吸附固存或與鈣離子發生沉澱，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過土壤的吸附閾值，添加的磷肥可能會增加磷淋洗或徑流流失的風險。

此外，過量施用無機磷肥，雖然使土壤有效磷顯著提高，但是此時植物生產力通常可能受到其他養分（例如氮供應）的限制，從而限制了植物對磷肥的吸收利用。這個道理類似木桶理論，桶能裝多少水是由最短那塊板決定的。

2. 土壤pH和容重

與中性土壤（pH 6~7）相比，酸性或鹼性土壤中含有豐富的鐵鋁鈣氧化物，能將磷肥吸附固定形成不能被植物直接吸收利用的非活性無機磷。酸性或鹼性土壤一定程度上抑制了微生物活性，阻礙它們把有機磷礦化成活性無機磷。所以，酸性或鹼性土壤中的有效磷低，施加無機磷肥後植物的磷肥使用效率將高於中性土壤。

土壤容重這個因素經常被忽略。土壤容重由土壤顆粒大小及有機質含量決定。在高容重土壤中，土壤高比例的砂粒（直徑0.25~2 mm）對磷的吸附能力低，增加了降水加快磷流失的風險，可能造成土壤有效磷降低，當施加無機磷肥時，植物將吸收更多的磷肥相對於低容重土壤。此外，低容重的土壤具有高的孔隙度，具有更強的水分保持和供氧能力，這些改善了非活性磷的溶解和有機磷的礦化，從而提高土壤磷的有效性，這將減少植物對磷肥的吸收。

如何更好地利用磷肥？

針對我國乃至全球無機磷肥利用率低、磷資源短缺問題，結合本研究，可以建議在未來磷肥施用過程中採取以下策略：

1. 適時適量施肥。根據植物需求和土壤肥力情況，合理確定施肥量；

2. 土壤pH的調整。在酸性或鹼性土壤中，磷可能與土壤中其他元素結合，形成植物難以吸收的形式。通過調整土壤pH值至6~7的範圍，可以提高磷的可利用性；

3. 改善土壤結構。增加土壤有機質，如堆肥和綠肥，可以改善土壤質地，促進土壤磷的釋放和植物吸收。

4. 結合改善肥料配方、微生物菌劑及先進的管理技術，讓磷肥的利用更加精準高效，減少對環境的影響。

磷肥施用示意圖（圖片來源：veer圖庫）

本研究填補了全球磷肥的去向的空白，增加了對陸地生態系統磷循環過程的認識。在此基礎上，通過科學的土壤管理、合理的施肥策略和先進的農業技術，我們可以有效地提高磷肥的利用效率，不僅可以提升作物的產量和質量，還能減少環境污染，實現生態系統的可持續發展。

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作者：羅先真

作者單位：中國科學院華南植物園