大气CO2浓度升高促进水稻磷利用效率的机制及其驱动因素研究

针对全球磷肥资源短缺与粮食需求增长的矛盾，研究人员通过FACE（自由大气CO2富集）实验和全球荟萃分析，揭示大气CO2浓度升高可显著提升水稻磷利用效率（PUE）16.6%，其中粳稻响应更显著。机制研究表明，地上生物量（AGB）增加和土壤有效磷（available P）含量提升是主要驱动因素，为气候变化下农业可持续管理提供理论依据。

　　

随着全球人口增长和饮食结构变化，粮食安全面临严峻挑战。磷（P）作为植物生长第二大必需营养元素，在光合作用、能量转移和细胞构建中发挥关键作用。然而，全球约67%的耕地面临有效磷缺乏，而施用的磷肥利用率仅10%-30%，大部分被土壤固定。更严峻的是，磷矿资源预计在2050年前枯竭。与此同时，工业革命以来大气CO₂浓度从280 ppm升至419.3 ppm（2023年），预计2050年达550 ppm。虽然CO₂浓度升高通过"CO₂施肥效应（CFE）"促进C₃作物（如水稻）生长，但其对磷利用效率（PUE）的影响机制尚不明确。

为破解这一科学难题，南京农业大学的研究团队通过两年田间自由大气CO₂富集（FACE）实验、开顶式气室（OTC）控制实验和全球荟萃分析，系统研究CO₂升高对水稻PUE的影响及其驱动机制。研究发现，CO₂浓度升高使水稻PUE平均提升16.6%，其中粳稻（Japonica）响应幅度（23.5%）显著高于籼稻（Indica，9.7%）。机制解析表明，地上生物量（AGB）增加27.8%和土壤有效磷含量提升20.3%是两大关键驱动因素，前者通过增强光合碳同化促进磷吸收，后者源于根系分泌的酸性磷酸酶活性提高加速有机磷矿化。进一步分析显示，AGB贡献率（58%）高于土壤有效磷（42%），表明碳-磷耦合效应是PUE提升的核心。

研究采用三大关键技术：1）FACE系统模拟550 ppm CO₂环境，对比分析水稻PUE响应；2）OTC实验设置不同磷梯度，量化生物量与土壤磷动态；3）整合全球37项研究的荟萃分析验证结论普适性。

Elevated CO₂ enhanced rice PUE
田间数据显示，CO₂升高使水稻PUE显著提升16.6%（p<0.05），且粳稻响应更敏感。荟萃分析证实该效应在全球尺度存在（效应值=0.89）。

Possible drivers for elevated PUE under ECO₂
OTC实验揭示，CO₂升高使AGB增加27.8%，土壤有效磷提升20.3%。结构方程模型表明，AGB通过促进磷吸收（路径系数=0.62）直接驱动PUE，而磷酸酶活性增强（+34.1%）间接提升土壤磷有效性。

讨论与结论
该研究首次量化CO₂升高对水稻PUE的促进作用，揭示碳-磷协同增效机制：一方面，CO₂促进光合产物向根系分配，刺激磷酸酶分泌；另一方面，AGB增加扩大"磷需求拉力"，形成良性循环。这一发现为应对磷资源枯竭提供了新思路——通过选育高响应品种（如粳稻）和优化种植制度，可在减少磷肥投入下维持产量。论文发表于《Agriculture, Ecosystems》，为全球变化背景下农业可持续发展提供了重要理论支撑。