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为解决全球及中国磷资源管理难题，如磷肥过度使用、土壤磷失衡等问题，研究人员开展土壤磷状态动态优化（DOP）方法的研究。结果显示该方法可使中国磷肥使用减少 47.4% 且不影响产量，对全球磷管理意义重大。
在全球生态环境和农业发展的大棋盘上，磷元素占据着关键的位置。它不仅是农作物生长不可或缺的养分，对保障粮食安全意义非凡，还是维持生态系统平衡的重要一环。然而，当下的磷资源管理却面临着诸多棘手难题。从全球范围来看，农业消耗了大量的磷矿资源，磷肥的过度使用使得许多地区土壤中的磷不断累积。这些多余的磷随着雨水冲刷等进入水体，引发了严重的淡水富营养化问题，破坏了水生生态系统的稳定。同时，磷矿资源在全球分布不均，且属于不可再生资源，价格波动影响着众多低收入国家农民获取磷肥，进一步降低了作物生产效率。
中国在磷资源利用方面同样形势严峻。自 1978 年到 2017 年，为保障粮食供应，中国磷肥消费量增长了 5 倍。但小农户在磷管理上较为保守，磷肥投入远超作物对磷的吸收，导致土壤中磷大量盈余。这些盈余的磷增加了淋溶和径流风险，威胁着水生生物和人类的健康。而且，中国磷矿储量仅占全球的 4.6% ，却消耗和生产了全球相当比例的磷肥，土壤磷管理问题亟待解决。
在这样的背景下，中国农业大学资源与环境科学学院、国家农业绿色发展研究院的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们提出了土壤磷状态动态优化（DOP）方法，致力于实现长期土壤磷状态在农艺和环境阈值范围内的精准管理，从而精确确定最佳磷肥施用量，还无需频繁进行土壤检测。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为全球磷资源管理带来了新的曙光。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，通过广泛收集 1980 年 1 月至 2022 年 12 月期间 Web of Science、Google Scholar 和中国知网（CNKI）上的相关文献数据，构建土壤有效磷效率（APE）数据库。接着，利用随机森林（RF）建模技术，结合气候、土壤等多方面因素预测全国农田网格水平的 APE。同时，开展大量田间试验，包括 35575 个小农户农田试验和 26896 个确定农艺土壤磷阈值的试验，获取丰富的一手数据，为研究提供有力支撑 。
下面来看具体的研究结果：
- 土壤有效磷效率（APE）在中国的情况：研究人员收集了 68 个地点的 424 个已发表观测数据来估算土壤 APE。结果显示，APE 范围在 0.01 - 0.21mg kg-1/kg ha-1（5th - 95th 百分位数），均值为 0.08mg kg-1/kg ha-1。不同作物下土壤 APE 不同，小麦地最高，其次是玉米地和水稻地。土壤类型和磷肥种类也会影响 APE，例如，始成土（Cambisols）的 APE 最高，单铵磷肥和二铵磷肥的 APE 值较高。随机森林（RF）建模分析表明，年均温度（MAT）、土壤有效磷（AP）等多种环境因素对 APE 有显著影响。通过 RF 回归模型模拟的 APE 与观测值的决定系数（R2）达到 0.75，有效捕捉了 APE 的空间分布特征，且中国农田 APE 存在明显空间异质性，华中地区最高，华南地区最低。
- 当前土壤磷状态的估算：维持土壤有效磷在安全水平对保障粮食安全和降低环境风险至关重要。研究人员确定了不同地区不同作物的农艺土壤磷阈值和环境土壤磷阈值。利用 2018 年全国土壤检测数据，估算出玉米、水稻和小麦系统的土壤有效磷状况。结果发现，全国范围内土壤有效磷水平存在较大空间差异，磷缺乏土地比例较高，玉米、水稻和小麦分别占 58.5%、59.9% 和 69.5% ；处于最佳磷水平的土地比例分别为 24.6%、28.3% 和 21.3% ；存在磷淋溶风险的土地比例分别为 16.9%、11.8% 和 9.2% 。
- DOP 方法在小农户农田的实施：DOP 方法旨在改善缺磷土壤的磷状况，限制高磷淋溶风险土壤中磷的积累。通过 2005 - 2014 年在大量农田开展的试验，研究不同磷肥处理对作物产量的影响。结果表明，在缺磷土壤中，高磷肥投入（150% OPR）才能维持高产量；在磷水平超过淋溶风险的土壤中，不同磷肥处理产量与不施磷处理无显著差异；在最佳磷水平土壤中，OPR 处理产量最高，额外施磷不能增加产量。基于 864 万农户调查数据绘制土壤磷平衡图，运用 DOP 方法优化磷肥施用量，结果显示全国优化后的磷肥施用量比农户当前施用量分别减少 47.1%（玉米）、19.0%（水稻）和 51.4%（小麦）。
- 中国土壤磷的长期管理：研究人员预测了各县将土壤磷提升至最佳水平所需的时间。假设各县采用 DOP 方法，玉米、水稻和小麦土壤磷达到最佳水平分别需要 45 年、49 年和 57 年，对应土壤有效磷分别比 2018 年增加 12.5%、12.8% 和 24.0% 。优化后的磷肥施用量相比 2018 年，玉米、水稻和小麦分别减少 52.5%、31.2% 和 59.2% ，总体净减少量为 1.8Tg，占 2018 年全国谷类作物生产磷肥使用量的 47.4% 。若不采用 DOP 方法，大量县在玉米、水稻和小麦生产中面临高磷淋溶风险。
综合来看，本研究意义重大。DOP 方法为实现动态、区域特异性的磷管理提供了创新途径，相比当前做法，在中国可显著减少 47.4% 的磷肥使用量，且不影响作物产量。这一方法为制定县级磷肥计划提供了实用工具，有助于小农户精准管理土壤磷，提高生产力并改善环境绩效。不过，研究也存在一些局限性，如分析 APE 的原位田间试验较少，模型未考虑磷肥类型，气候因素数据存在不确定性，且未充分考虑天气波动、未来气候变化以及特定农田管理因素对土壤磷循环的影响。未来需要进一步开展全国性 APE 监测研究，建立能快速响应环境变化的研究基础设施，并不断更新和完善 DOP 方法，以确保其适用于不同地区和种植系统。但不可否认，DOP 方法为全球磷可持续发展提供了重要思路，对保障粮食安全和生态环境可持续性具有重要的推动作用。
