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摘要/导语

在全球农业长期依赖化肥增产的背景下，“效率”不仅是技术指标，更是生态系统响应与人类管理行为耦合的关键信号。近期发表于《自然·通讯》的研究，基于60年、205个国家和地区、超3300条田间数据，首次构建了全球主要作物氮磷利用效（NUE/PUE）时空图谱，系统揭示了作物—气候—施肥之间的响应失配，并指出：突破“高投入—低利用”的系统瓶颈，需从“如何施肥”转向“在何种生态架构下施肥”。

研究核心：从宏观统计到生态响应函数

传统宏观统计往往掩盖了作物生理与区域环境的异质性。该研究将养分利用效率重构为基于田间对照的生理响应函数，在统一分类和时间序列下，重建了1961—2018年全球农田氮、磷投入与NUE、PUE动态。结果显示：化肥投入持续攀升，但主要作物氮磷效率并未同步提升，多年处于低效区间，尤其在玉米等主产区的氮磷盈余突出，形成了“高投入—低利用”的空间热点。这一结论在长时间序列、多空间尺度与单作物分辨率下均表现出高度的稳健性。

空间异质性：效率的“生态位”差异显著

将效率与作物类型及气候区叠加后，表现出显著的地带性响应：

• 水稻在热带地区表现出较高的NUE/PUE；
• 小麦在温带效率相对较好；
• 玉米在中国、美国等主产区成为“高投入—低利用”的典型代表。

这种“作物—气候—效率”的耦合图谱，为面向具体生态区设计精准管理方案提供了科学依据，与我国当前推动的高标准农田建设、秸秆还田、施肥优化等实践形成有效衔接。

方法启示：差值法揭示土壤磷库的“沉默贡献”

研究采用差值法（N(P)UE_diff）估算当季化肥的实际吸收效率，结果显示，四大作物PUE普遍低于50%。这一数据提示：作物磷营养并非完全依赖当季施肥，土壤历史磷库仍扮演重要角色。未来磷肥管理需同时考虑土壤供给能力与作物吸收潜力，以减缓对不可再生磷矿的依赖、降低面源污染风险。

三层策略：从数据到行动的生态转型路径

研究提出了“作物—区域—技术”三层并行的系统性提升策略：

1. 作物尺度：在低效作物与气候组合区优先推广精准施肥；
2. 区域尺度：依据空间显式效率分布，将管理资源定向配置至低值区；
3. 技术集成：推动高肥效品种、保护性耕作、秸秆还田、功能微生物利用与施肥时空优化的系统耦合，提升单位投入的吸收比例、降低环境残留。

生态悖论：瓶颈不在技术，而在系统失耦

本研究首次在全球尺度上显化了氮磷效率的机理驱动空间格局，揭示了一个长期被忽略的农业生态悖论：绿色转型的真正瓶颈，往往不在技术方案的缺失，而在于作物生理适应性、环境养分约束与管理行为三者的时空失配。

因此，未来农业优化的核心命题应从 “如何施肥”转向“在何种系统配置下施肥”，即通过作物—气候—土壤的智能匹配，重构农业生态系统的基础架构。本研究提供的不仅是一张效率地图，更是一个可诊断人为干预与自然反馈的动态耦合框架，为推动农业系统从“产出导向”迈向“生态效率导向”提供了首个数学—生态耦合界面。

作者与资助

论文第一作者为中国科学院地球环境研究所刘济副研究员，通讯作者为武汉理工大学方临川教授。合作单位包括西班牙高等科研理事会、华中师范大学、华中农业大学等多所国内外机构。研究获国家自然科学基金、欧盟“地平线欧洲”框架计划及陕西省青年科技新星项目支持。

论文信息

Liu et al.Global-scale prevalence of low nutrient use efficiency across major crops. Nature Communications (2025).https://doi.org/10.1038/s41467-025-66019-w

图1 四种主要作物（稻、麦、玉米和大豆）田间尺度的氮磷养分利用效率

图2 全球氮和磷化肥投入及养分利用效率的时间变化模式

图3 四种主要作物（稻、麦、玉米和大豆）氮和磷养分利用效率的全球空间格局

图4 四种主要作物（稻、麦、玉米和大豆）全球氮和磷化肥盈余强度及负荷