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2025年12月10日，《自然·通讯》在线发表了一项跨越60年、覆盖205个国家与地区、整合FAO、IFA 和3360条野外观测记录的研究论文“Global-scale prevalence of low nutrient use efficiency across major crops”，构建了全球迄今时间最长、空间最广、作物最集中的养分利用效率变化图谱。中国科学院地球环境研究所刘济副研究员与武汉理工大学方临川教授团队，系统量化了水稻、小麦、玉米和 大豆四大作物的氮（NUE）磷（PUE）利用效率演变与空间差异，明确指出全球农业仍深陷“高投入、低效率”困局，尤其在发展中地区亟待突破。这不仅是一份数据档案，更是指导全球农业绿色转型和高质量发展的关键图谱。

研究在统一作物分类和时间序列的前提下重建了1961—2018年全球农田氮、磷投入及其对应的NUE、PUE变化。化肥投入在观察期内持续上升，但主要作物的NUE、PUE效率未同步达到高水平，部分年份仍处在相对偏低区 间，说明在既有施肥强度下，作物对投入养分的吸收存在显著提升空间。这一结论在长时间序列、多空间尺度与单作物分辨率的综合验证下，具有高度的科学稳健性与政策参考价值。

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

将效率指标与作物类型及其气候区分布叠加后，可以看到地带性差异明显：水稻在热带地区能够获得较高的NUE和PUE，小麦在温带地区效率水平相对较高，而玉米在中国、美国等大面积主产区表现出较高的氮、磷盈余，成为当前全球农业体系中需要重点关注的“高投入—低利用”区。四类作物的区分，使得效率结果不再仅停留在“国家”或“作物总量”的层级，而是可以面向具体作物、具 体区域提出差异化的施肥控制与结构调整思路，这与目前国内围绕高标准农田、秸秆还田和施肥位置优化开展的效率提升实践具有良好的衔接性。

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

在效率测算方法上，研究采用了差值法（N(P)UEdiff）对化肥被作物实际吸收的部分进行估算。该方法以施肥处理与不施肥处理之间的作物养分吸收差异为依据，能较直接地反映当季化肥的有效利用情况。基于这一方法得到的结果表明，水稻、小麦、玉米和大豆四种主要作物的PUE多低于50%，表明在相当多的农业生态系统中，作物磷营养的满足并非完全来源于当季施用的肥料，土壤中既有的磷库仍具有重要贡献。这一发现提示，在制定磷肥施用量、施用 方式和作物轮作方案时，需要同时考虑土壤磷供给能力和作物实际吸收能力，以降低对不可再生磷资源的依赖并减少潜在的面源排放。

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

研究强调，提升全球范围内的NUE和PUE应当采取“作物—区域—技术”三层并行的策略：一是在作物尺度上，优先在识别出的低效率作物与气候带组合中推进精准施肥；二是在区域尺度上，依据空间显式的效率分布结果将有限管理资源配置到效率低值区；三是在技术层面，将高肥效品种、保护性耕作、秸秆还田、固氮与解磷功能微生物利用以及施肥时空优化等措施进行成套应用，以提高单位投入的有效吸收比例并降低残留与损失。这一策略以定量识别 的效率分布为前提，可为农业可持续发展、耕地质量提升和水体氮磷负荷控制提供数据化支撑。

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

本研究将养分利用效率从宏观统计推演重构为基于田间对照的生理响应函数，并首次实现了氮磷效率在全球尺度上的机理驱动空间显化。这揭示了一个被长期忽视的系统悖论——农业绿色转型的瓶颈并非缺乏技术方案，而在于作物生理适应性、环境养分约束与人类管理行为三者间的时空失耦。模型表明，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。这项研究提供的不 仅是一张全球养分效率地图，更是一个可动态模拟人为干预与自然反馈相互作用的诊断框架，它为重新设计面向可持续性的农业系统提供了第一个完整的数学-生态耦合界面。

上述结果以“Global-scale prevalence of low nutrient use efficiency across major crops”为题发表于Nature Communications。中国科学院地球环境研究所刘济副研究员为论文第一作者，武汉理工大学方临川教授为通讯作者。论文还得到了西班牙高等科研理事会、华中师范大学、华中农业大学、新疆大学、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学院东北地理与农业生态研究所等单位合作者的支持。

该研究得到国家自然科学基金、欧盟“地平线欧洲”框架计划、陕西省青年科技新星项目等项目的支持。

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