NC：地球環(huán)境所揭示全球主糧作物養(yǎng)分利用率“高投入、低利用”的系統(tǒng)困境與出路

近日，《自然·通訊》在線發(fā)表了一項歷時60年、覆蓋全球205個國家與地區(qū)的研究，系統(tǒng)揭示了水稻、小麥、玉米和大豆四大主糧作物的氮磷養(yǎng)分利用效率演變格局。研究表明，全球化肥投入持續(xù)增長，但主要作物的養(yǎng)分利用效率并未同步提升，普遍處于較低水平，揭示出“高投入、低效率”仍是全球農業(yè)面臨的系統(tǒng)性困境。

研究發(fā)現(xiàn)，不同作物和地區(qū)的效率表現(xiàn)存在顯著差異。水稻在熱帶地區(qū)、小麥在溫帶地區(qū)通常表現(xiàn)出相對較高的養(yǎng)分利用效率，而玉米在中國、美國等主產區(qū)則呈現(xiàn)明顯的“高投入—低利用”特征，成為需要重點關注的優(yōu)化區(qū)域。特別值得注意的是，四大作物的磷利用效率普遍低于50%，表明作物磷營養(yǎng)在很大程度上仍依賴土壤原有磷庫，而非當季施用的肥料。

研究指出，農業(yè)綠色轉型的深層瓶頸并非缺乏技術，而在于作物生理需求、環(huán)境養(yǎng)分條件與人類管理行為之間存在時空錯配。因此，未來農業(yè)優(yōu)化的核心應從“如何施肥”轉向“如何系統(tǒng)重構”，通過作物—氣候—土壤的智能匹配來重新設計農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的底層架構。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究提出了“作物—區(qū)域—技術”三層并行的系統(tǒng)性優(yōu)化路徑。在作物層面，應針對識別出的低效作物與氣候帶組合推行精準施肥；在區(qū)域層面，需依據(jù)空間顯性的效率分布，將管理資源優(yōu)先配置至效率洼地；在技術層面，應集成高肥效品種、保護性耕作、秸稈還田及功能微生物應用等措施，形成綜合性的增效減排技術方案。

該研究構建的全球養(yǎng)分效率圖譜，不僅揭示了農業(yè)養(yǎng)分管理的核心矛盾，更提供了一個可動態(tài)診斷系統(tǒng)瓶頸、模擬管理成效的科學框架，為推進全球農業(yè)綠色轉型、實現(xiàn)化肥減量增效與耕地可持續(xù)利用提供了關鍵的科學依據(jù)。上述結果發(fā)表于Nature Communications。該研究得到國家自然科學基金、歐盟“地平線歐洲”框架計劃、陜西省青年科技新星項目等項目的支持。

Liu,J.,Wang,H.,Penuelas,J.,Mou,J.,Delgado-Baquerizo,M.,Sardans,J.,Coello,F.,Quan,Z.,Qiu,T.Y.,Li,Y.Y.,Guo,Y.H.,Hu,Z.Y.,Ying,Y.R.,Lv,J.Y.,Zhang,Y.F.,Tan,W.F.,Zhou,G.Y.,Li,L.J.,Fang,L.C. 2025. Global-scale prevalence of low nutrient use efficiency across major crops. Nature Communications.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66019-w

圖1 四種主要作物（稻、麥、玉米和大豆）田間尺度的氮磷養(yǎng)分利用效率

圖2 全球氮和磷化肥投入及養(yǎng)分利用效率的時間變化模式

圖3??四種主要作物（稻、麥、玉米和大豆）氮和磷養(yǎng)分利用效率的全球空間格局

圖4 四種主要作物（稻、麥、玉米和大豆）全球氮和磷化肥盈余強度及負荷