磷肥施用事关粮食安全和农产品保供，但是又受到资源的刚性约束和环境保护的压力，因此磷肥需求的预测既是农业产业技术决策的重要参考，更是磷化工产业发展的重要依据。一方面，自2015年明确提出“化肥零增长”目标以来，我国农业生产中的磷肥施用已经进入到了一个新的阶段，统计数据表明，2017至2021年我国农业的磷肥施用总量从1 431万吨下调至1 215万吨，而同期粮食和其它农产品生产稳中有增。另一方面，我国磷矿资源只占全球的5.5%^[1]，在我国磷资源受到刚性约束的情况下，我国生产和消费了全世界近30%的磷肥^[2]，但未来磷资源可持续利用的压力十分严峻。

2007年，本课题组通过建立我国主要农田土壤中有效磷变化模型，基于土壤肥力变化预测了未来30年内磷肥的消费将经历一个先升后降的过程，磷肥需求将在2020年左右达到最高峰1 250万吨，到2035年降至1 050万吨^[3]。当时肥料产业管理部门基于常规的趋势预测分析，认为我国磷肥需求在2020年左右要达到1 600万~1 800万吨，远高于预测需求。过去15年来我国农业生产的磷肥实际消费状态验证了当时基于土壤肥力变化的磷肥需求预测的科学性（图 1）。

当前我国农业正在走向绿色发展的新阶段。农业绿色发展要求以资源环境承载力为基准，追求优质、安全、充裕农产品供给和人体营养健康的目标^[4]。我国磷资源十分紧缺，可持续的磷矿资源利用任重道远；以磷为核心的农业面源污染已经上升为我国水体富营养化的主要因子^[5-6]；同时，过量施磷导致的农产品微量元素营养（如铁、锌）下降的问题日益突出^[7]。在这样的背景下，势必对磷肥管理策略以及磷肥产业产生深远影响。因此，基于农业绿色发展视角，对我国农业的磷肥需求进行再预测具有重要的意义。

1 论我国农业土壤磷的目标阈值

自绿色革命到20世纪80年代，国际上农田磷肥管理主要以作物增产为目标，磷肥推荐一般采用基于作物产量效应的方法；之后，随着环境问题的日渐突出，磷肥管理逐渐转为以实现作物产量和环境保护协同为目标，发展了基于土壤磷肥的土壤培肥- 维持（Building-up and maintenance）管理的策略^[8]。而我国自20世纪90年代以来基于养分平衡和土壤测试的磷素恒量监控法逐渐成为磷肥管理的主要指导策略，即以保证作物持续稳定高产的土壤有效磷临界值为根层养分调控下限，以对环境产生威胁的土壤有效磷阈值为根层养分调控上限，兼顾作物高产和环境保护的双重目标^[9]。

本文采用Meta分析方法对全球土壤-作物系统磷的农学阈值进行了系统的归纳分析，发现粮食作物、水果和蔬菜上的临界农学土壤有效磷阈值分别为15.7 mg·kg^–1、32.8 mg·kg^–1和30.0 mg·kg^–1（图 2）。进一步对全球农业土壤有效磷的环境阈值的研究发现，农业土壤有效磷的环境阈值介于45~75 mg·kg^–1之间；而我国土壤有效磷的农学阈值和环境阈值分别为17.3 mg·kg^–1和40.1 mg·kg^–1[10]。显然，农学阈值与环境阈值间的差值介于30~40 mg·kg^–1之间。而早前的研究表明，将土壤有效磷提高30~40 mg·kg^–1，每公顷农田土壤大约需要累积1吨磷^[3]，这将严重加剧我国磷资源枯竭的风险。

近年来的植物营养生物学研究表明，将土壤有效磷控制在农学阈值可以协同作物生产力和磷吸收利用能力，而一般环境阈值的土壤有效磷含量将严重抑制作物高效吸收利用磷的生物学能力。以根系丛枝菌根侵染为例，田间原位研究表明土壤有效磷调控丛枝菌根真菌侵染存在临界值，这个临界值接近于调控小麦和玉米生长的适宜农学阈值^[11]。因此，在该适宜临界值水平下，小麦和玉米均能维持相对较高的丛枝菌根侵染率，这为较好地发挥丛枝菌根的生物学潜力提供了保障。在玉米上的研究也表明，将土壤有效磷水平控制在靠近玉米农学阈值附近，既能保证较高的生产力，又能让根系生物学潜力得到较好的发挥，是根际调控的关键养分供应范围^[12]。分子生物学的证据同样表明，超出农学阈值的土壤磷供应抑制根系和菌根吸收磷的系列转运蛋白基因的表达^[13]。

将土壤有效磷水平调控至农学阈值有利于实现作物籽粒较高营养品质。无论在我国还是世界范围，缺锌、缺铁均是人体营养健康的关键问题^[14]。研究发现，高量磷肥施用显著降低谷类作物的籽粒锌、铁含量^[15-16]，对人体健康造成潜在威胁；而将有效磷水平控制在农学阈值可以在实现高产的同时最大化实现籽粒锌、铁含量，保证人体锌、铁等微量营养摄入^[7]。

自20世纪80年代以来，我国农业生产中磷肥大量持续施用。大数据分析表明2015年我国农田每年磷肥投入量高达40~60 kg·hm^–2[17]，平均每年磷盈余量为24 kg·hm^–2，高于全球生态系统安全阈值（每年6.9 kg·hm^–2）3倍以上^[18]。大量的土壤磷素盈余造成土壤有效磷近几十年持续累积（表 1），2011年的一项研究发现全国土壤有效磷从20世纪80年代全国第二次土壤普查的7.4 mg·kg^–1增加至2006年的24.7 mg·kg^–1[19]，2005—2014年期间全国测土配方施肥的大样本数据表明，我国农田土壤有效磷平均含量为19.2 mg·kg^–1[20]。进而在经济作物上有效磷的增加幅度更大^[21]，Meta分析的结果表明当前设施菜田和露地菜田土壤中有效磷的含量已经分别高达179和100 mg·kg^–1[22]；而果园耕层土壤中有效磷的含量也高达63~118 mg·kg^–1[23-24]。

因此，在当前农业绿色发展的背景下，必须尽快调整我国的农田磷管理策略，从当前不超出环境阈值的培肥地力（Building-up）保增长策略转变为维持农学阈值的平衡施磷（Maintenance），以实现保增产、升效率、提品质的新策略。

2 绿色发展背景下农业废弃物磷的循环利用

以往针对磷肥的需求预测中未仔细考虑农业废弃物中磷的再循环利用，随着国家有机肥替代化肥行动实施和环境保护要求，我国未来农业磷肥的需求预测必须考虑有机废弃物资源的再利用。一方面，目前我国农田磷肥总投入中有机肥料的贡献不超过20%，且主要集中在果、菜、茶等高价值经济作物上。另一方面，近30年来我国畜禽养殖规模迅速扩大，畜禽粪便的产生量逐年增加而还田日趋困难。经初步测算，我国每年畜禽粪便产生量超过30亿吨（鲜重），其中畜禽粪尿中总磷资源量从1996年的170万吨增长至2021年的300万吨以上，具有替代化肥磷的很大潜力，且如果不很好利用将对环境产生严重威胁。

21世纪以来畜禽粪污的不当处理与排放产生环境污染，尤其是对水环境保护造成严重的压力^[36-37]。过去相当一段时间内，畜禽粪便堆存量大，利用率低下，特别是大中型养殖场循环利用率不高，环境影响突出^[38]。据研究表明，中国畜禽养殖的粪污排放曾经对河流水体磷负荷贡献高达52%~97%^[39-40]。基于两次全国污染源普查公报结果发现，畜禽养殖排放总磷约占农业源56%和全国水体总磷排放的37%。畜禽粪污，尤其是在高密度养殖地区，已经成为许多江河湖泊等水体环境的主要污染源。

近些年国家出台多项政策和专项计划多措施并举推动畜禽粪污资源化循环利用，例如农业部关于印发《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》、《果菜茶有机肥替代化肥行动》等。据调查研究，中国圈舍堆置后的畜禽粪尿还田率从2007年大约不足50%增长至2017年的67%^[41]。但是畜禽粪尿在圈舍堆置过程中仍然会产生部分磷素损失^[42]。因此，当前我国总有机磷循环率（基于排泄量）仅为53%左右，距离美国（76%）^[43]、欧洲（> 90%）^[44]和日本（79%）畜禽粪尿磷循环管理模式仍有较大差距。

通过技术进步和系统整合持续提高对有机磷的回收利用，不仅将在满足未来种植业对磷肥的需求方面发挥着重要作用，同时为消除污染源做出巨大的贡献。因此，提高农业废弃物中磷的循环利用率越来越成为农业绿色发展的关键环节。

3 基于农业绿色发展的我国磷肥需求再预测

综上，本文基于农业绿色发展的我国磷肥需求再预测主要着眼于两个方面：一是在我国土壤有效磷已经达到（或超出）农学阈值的基础上，我国农田磷肥的总投入未来应逐步下调直至等于我国未来作物生产的总需磷量；二是我国化学磷肥的需求要在农田磷肥的总投入预测的基础上，充分考虑农业废弃物磷资源的再循环利用。

具体而言，化学磷肥需求的预测是基于农田磷素投入总量与循环利用磷总量之差得出，即：化学磷肥需求=作物磷素吸收×磷素盈余比-畜禽粪污磷×循环利用率-作物秸秆磷×循环利用率。其中，作物磷素吸收总量是基于作物收获物和秸秆产量及其含磷量计算得出。作物秸秆资源量是通过作物产量和草谷比参数计算得出，草谷比以及收获物、秸秆含磷量参数来源于NUFER（Nutrient flows in Food chains，Environment and Resources use）模型。2022年当前中国农田磷素的盈余比（农田磷素投入/作物磷素吸收）约为1.32，本文设定在2030和2050年分别降低至1.15和1.0，逐步实现农田磷素零盈余。畜禽粪污磷总量通过NUFER模型中动物数量等参数输入数据估算。在本研究中，历史作物产量和动物生产（2016—2022）数据来源于国家统计局，未来2030、2040和2050中国的作物和动物的生产预测是基于已发表的研究结果^[45]。此外，基于当前全国调查结果，2022年我国秸秆和畜禽粪污的磷循环利用率约为55%，本文假设2030年、2040年和2050年分别达到60%、70%和80%，对关键年份（2030年、2040年和2050年）采用合理的预测参数，其余中间年份通过线性插值方法填补上数据。

基于现有对我国未来粮食生产的预测，未来我国在粮食作物上仍需要10%~20%的增长，到2030年我国水稻、小麦、玉米分别较2020年增长1%、15%、22%；到2050年增长量要分别达到0、11%、17%，而水果、蔬菜、糖类和薯类等基本保持不变^[45]，但油料作物产量还需大幅提升。据此，本文预测我国农作物的磷素吸收量将从目前的1 100万吨左右提升至未来的1 250万吨左右并逐渐稳定。在以农学阈值为目标的肥力维持监控策略下，包括化肥磷和循环利用磷在内的总磷投入将以此为依据。

在国家相关政策和施肥技术不断进步的推动下，对标发达国家，本文设定我国农业废弃物中磷的循环利用率从当前的55%进一步增加至60%（2030年）和80%（2050年）。据此，预测到2030年在实现磷循环利用率60%的条件下，我国化学磷肥的需求量为1 084万吨；到2050年磷循环利用率进一步提高至80%，我国磷肥总需求量为1 229万吨，其中化学磷肥需求量为742万吨（图 3）。

4 未来优化磷肥管理中几个关键问题的讨论

值得注意的是本文的磷肥需求预测是中长期预测，短期内国内外市场、社会经济发展等对磷肥需求影响很大，中长期看，科学施肥技术应用、磷矿资源限制、农业结构调整、有机肥替代政策等多方面因素影响预测的不确定性。

要达到本文预测的磷肥用量需要在磷肥施用策略、科学研究和磷肥产业发展方面实现相互支撑、有效融合。在农田尺度上，磷肥施用方法需要进一步根据不同作物系统和区域的土壤有效磷特征进行合理磷肥管理，保障作物对磷素的需求，同时发展基于磷肥根际调控原理的新型施肥技术（如侧深施肥），进一步提高磷肥利用效率；在理论创新方面，基于有机肥中磷高效利用和基于分子生物学发展的作物磷高效吸收和利用的机理研究仍然需要进一步广泛探索；在磷肥产业发展方面，未来如何通过创新磷肥生产工艺，开发适用于不同作物需求的新型磷肥产品，需要进一步实现技术突破。

4.1 磷肥投入在不同作物系统和不同区域不平衡，磷肥管理需要“因地施策”

当前，在不同作物系统之间，蔬菜、果园和茶园磷肥投入普遍超量，土壤有效磷普遍超高，因此磷肥投入需要严格限量；在大田作物上，平均而言土壤磷肥已达到或超出农学阈值，但区域间不平衡，需要因地施策。在大田作物上，总体而言，东北、黄淮海地区土壤磷素积累较快；而西北农牧交错带、长江流域稻田土壤磷素积累较慢。研究发现，在吉林黑土和黄淮海平原土壤中每累积1 kg·hm^–2磷素，土壤有效磷分别增加0.057 4 mg·kg^–1和0.064 8 mg·kg^–1[3]，高于其他地区的土壤有效磷增速。在新疆和陕西等西北地区每累积1 kg·hm^–2磷素，土壤有效磷仅增加0.0144 mg·kg^–1，说明西北农牧区土壤有效磷的累积速度较慢。而在长江流域稻田土壤中，数据表明每盈余1 kg·hm^–2磷素，土壤有效磷仅增加0.012 mg·kg^–1[46]，导致该地区土壤有效磷缺乏的比例仍然高达23.1%，主要集中在长江上游和中游地区^[47]。因此基于当前的土壤有效磷水平和区域土壤磷素累积特征，在东北、黄淮海等土壤磷素累积速率较快地区，大田作物磷肥管理应以磷肥投入与产出基本平衡为基本原则，针对长江流域上中游稻田土壤和北方干旱半干旱地区有效磷较低土壤，仍需要考虑适度提升肥力。

4.2 优化磷肥施用技术，以根际调控促进磷肥利用效率提升，确保作物产量持续提升

当前，随着农业机械化的快速发展，我国农田磷肥施用方式正在发生根本性的变化。过去常规磷肥施用是以基肥的形式撒施，肥料施入土壤后往往与土壤钙、铁、铝结合，导致土壤大部分磷被固定，磷肥利用效率不高。随着农业机械化的发展，机械作业配套根区施肥正在成为农业发展的大趋势，“种肥同播”、“侧深施肥”等技术的发展使得在大田生产中发挥作物根系高效利用磷的根际调控成为可能。此外，水肥一体化的滴灌施肥技术的普遍应用大幅度提高了磷素的有效性，通过滴灌系统施用磷肥同样实现根际施肥，进而协同提高作物产量和磷肥利用效率^[48]。因此，通过改进磷肥机械条施、水肥一体化等根际施肥方式对提高磷肥效率具有极大潜力。

4.3 精准施用有机肥、提高有机磷源利用效率需要更多的科学研究

一方面，有机肥管理需要遵循以磷为基准的总量控制，尤其在果蔬等经济作物上，当前大量施用有机肥的情况已经导致部分地区和作物上土壤有效磷大幅度提高，生态环境压力大，因此有机肥施用量应以磷的总量控制为基准。

另一方面，有机肥的施用应注重不同来源、不同工艺、不同组分的有机磷源在不同土壤、不同作物上的应用效果。在玉米上的多年研究表明，反刍动物粪便（牛粪）的磷可以完全替代化肥施用来保证玉米磷素吸收；而非反刍动物粪便（如鸡粪）由于具有较高的植酸磷而有效性较低，生产中需要将鸡粪与化肥配施才可以协同实现作物高产和磷素高效^[49]。然而，基于不同土壤、不同作物生产条件下，有机磷肥的精准管理迫切需要更加广泛和深入的科学研究为基础^[50]。

4.4 生物学途径提高作物磷利用效率—磷吸收和磷利用同等重要

挖掘作物自身磷高效利用的生物学潜力是科学界关注的前沿，近年来随着分子生物学研究进展，许多高亲和磷转运基因已被克隆，磷向地上部转运和吸收负反馈调节的控制基因也被发现；同时针对根构型、根毛以及菌根的营养学意义性状的分子生物学研究已经取得很大进展^[51-52]。

一般而言，提高磷吸收效率将有助于推进土壤磷素农学阈值的前移。而提高磷利用效率将有助于在同等产量下降低作物的磷素需求，因此，二者同等重要。未来，应进一步加强在集约化农业体系中如何提高作物磷吸收和磷利用的生物学机理与调控途径研究。

4.5 磷肥产业的绿色发展要通过技术进步提升全过程的磷资源效率，并开发针对我国多元化农业生产条件的适配产品

自20世纪90年代以来，我国磷肥产业取得了显著的技术突破，实现了磷肥自给，有效支撑了农业生产。今后，磷肥产业要在总量调控的情况下，进一步提高从矿山开采到磷肥生产的全过程的磷利用效率，特别是要创新技术突破磷石膏、磷尾矿中磷资源的回收利用。同时，由于我国幅员辽阔，农业生产的作物、土壤、气候、管理措施各不相同，需要针对多元化的农业生产条件，创新工艺，开发多元化的适配产品，从磷肥产品本身性能上着力提升磷肥利用效率。