干旱地区的人类与水资源适应：协调中国内陆干旱河流流域的水资源利用与生态安全

《Journal of Cleaner Production》：Human–water adaptation in drylands: Reconciling water use and ecological security in arid inland river basins of China

本研究评估海水来源的磷酸铵镁（STR）在荷花种植中的农业性能，并与单过磷酸钙（SUP）对比。结果显示STR在提高土壤可溶性磷和镁、缓解酸化、减少重金属吸收方面表现更优，且对土壤微生物多样性影响较小，证实STR作为可持续磷源的有效性。

　　

李一凡|梁克凡|冯洁明|徐英春|郭欢|徐颖|王彦峰|王彦杰|金启江

农业农村部景观学重点实验室、国家林业和草原管理局华东地区观赏植物生物学重点实验室、南京农业大学园艺学院，南京，210095，中国

摘要

水生作物生产必须在减少对有限磷矿石依赖的同时，控制敏感水生环境中的磷（P）富集。鸟粪石作为一种在陆地农业中被认可的缓释肥料，为淹水土壤条件下的水生栽培提供了一个有前景但尚未经过测试的解决方案；重要的是，新兴的海水来源鸟粪石（STR）的农艺性能仍大部分未得到评估。在这里，我们描述了STR的特性，并系统地评估了其在莲（Nelumbo nucifera）栽培中与单过磷酸钙（SUP）的农艺性能。我们的结果表明，在几个关键方面，STR的表现与SUP相当或更优。STR含有更高的磷含量和显著更高的镁含量，并且重金属含量较低。溶解试验显示，在孵育期间STR在水中释放的磷很少，但在柠檬酸中迅速溶解，这与有机酸促进的根际相关磷释放一致。STR通过增加土壤可提取的磷和镁、提高土壤pH值、减轻酸化以及减少植物对重金属的吸收，在农艺性能上与SUP相当或更胜一筹。土壤DNA的Illumina测序表明，STR对α多样性影响很小，但引起了处理依赖的群落变化，包括在相同磷输入下Proteobacteria的相对丰度增加，这表明与养分循环相关的分类群发生了变化。总体而言，这些结果有助于解决关键的应用和机制问题，证明海水来源的鸟粪石可以作为水生作物栽培中的有效磷源，并可能支持更可持续的磷管理。

引言

随着对磷矿石资源有限性的担忧日益加剧，以及对水生生态系统对磷（P）富集敏感性的认识加深，人们开始寻找可持续的肥料解决方案（Jing et al., 2022）。磷是一种重要的大量营养素，在植物生长中起着核心作用，影响能量转移、光合作用和细胞分裂等过程。根茎作物、开花结果作物和谷物作物通常对磷的需求很高。例如，马铃薯（Solanum tuberosum L.）、大麦（Hordeum vulgare）、玉米（Zea mays L.）和莲（Nelumbo nucifera）特别依赖充足的磷供应来维持其生长和生产力（Soratto et al., 2015; Brod et al., 2016; Han et al., 2022; Zhu et al., 2023）。然而，主要来自有限且不可再生磷矿石资源的磷肥的生产和应用引发了一系列环境和社会经济挑战，对农业发展的可持续性构成了重大威胁（Wali et al., 2020）。目前的施肥策略往往依赖于传统磷肥（如单过磷酸钙（SUP）的广泛使用，虽然这些肥料能快速提供养分，但也会导致养分流失和污染（Guo et al., 2022; Yin et al., 2018）。这导致水生系统中的磷浓度增加，加剧了富营养化并破坏了淡水生态系统（Han et al., 2022）。

为应对这些挑战，鸟粪石（六水合磷酸镁铵，MgNH₄PO₄·6H₂O）因其独特的低水溶性和多方面的环境效益而受到广泛关注。来自陆地农业的证据表明，鸟粪石可以作为多营养素肥料使用，其效果与传统可溶性磷酸盐肥料相当，在某些情况下甚至更好，特别是对于那些分泌大量有机酸的作物物种（Talboys et al., 2016; Muys et al., 2021; Frick et al., 2025）。除了提供磷之外，鸟粪石还可以提供氮（N）和镁（Mg）（Talboys et al., 2016; Huang et al., 2019），其可控的养分释放可能在某些情况下具有环境优势，包括减少磷损失和降低N₂O排放潜力（Yang et al., 2023; Wang et al., 2023; Kokulan et al., 2024）。与传统的可溶性磷肥不同，后者会通过径流、侵蚀和排水增加溶解态和颗粒态磷的损失，从而导致地表水富营养化（Holman et al., 2010; Liu et al., 2021），并且根据磷矿石的来源可能引入或积累微量金属（Yang et al., 2013; Chien et al., 2011），而鸟粪石则能持续释放关键养分（磷、氮和镁），从而减少养分损失。例如，据报道，添加了鸟粪石的土壤比添加了SUP的土壤具有更低的氮淋失率（Rahman et al., 2011）。这种可控释放行为的潜在原因包括pH调节的溶解过程以及特定条件下土壤物理结构和水分保持的变化（Li et al., 2024）。这些特性有助于降低与磷损失相关的富营养化风险（Mancho et al., 2023），同时改善土壤的物理化学性质。此外，从废水中回收鸟粪石进一步放大了其价值，因为它将养分循环与废水处理相结合，从而减轻了对磷矿石储备的压力（Hertzberger et al., 2020）。

在陆地土壤-作物系统中之外，水生农业中的施肥挑战尤为突出，因为生产系统直接与周围水体相连，导致养分损失几乎立即转化为水质恶化。这一困境在莲（Nelumbo nucifera）的栽培中尤为明显，莲是亚洲具有重要经济和文化价值的高价值水生经济作物（Han et al., 2007; Chen et al., 2008; Li et al., 2010）。莲的生产通常依赖于传统的施肥方法，需要频繁且劳动密集地施用可溶性磷肥以满足其高磷需求，这可能会增加养分损失，提高生产成本，并增加接收水体的富营养化风险（Zhu et al., 2023; Dong et al., 2022）。因此，一种能够满足莲的磷需求同时最小化短期磷释放的缓释磷源是非常理想的。

鉴于鸟粪石在陆地农业中的有效性，它似乎是满足水生农业需求的理想候选者。然而，将其潜力转化为实际应用仍存在一个关键的知识空白。尽管有来自陆地系统的广泛证据，但在淹水（通常是缺氧）土壤条件下的系统农艺评估仍然缺乏。这一空白很重要，因为淹水土壤的独特生物地球化学特性意味着陆地农业的发现不能直接外推。实际上，其他水生和无土系统中的新兴研究突显了这一复杂性。例如，在海草恢复和微藻培养中的研究表明，鸟粪石在非食物水生环境中的潜力（Moed et al., 2015; MacDonnell et al., 2022; Tang et al., 2023），而水培实验表明，在没有土壤的情况下，根系分泌物和pH动态直接调节其溶解（Wang et al., 2025）。这些不同的发现表明，鸟粪石的行为高度依赖于具体环境，其在淹水土壤这种复杂的生物活性基质中的表现仍然是一个未解决的关键问题。

除了在新环境中的农艺潜力之外，鸟粪石的生产本身也面临挑战和机遇。从废水中回收传统鸟粪石通常涉及高昂的成本，并引发关于共沉淀污染物（如重金属和抗生素抗性基因）的安全担忧（Chen et al., 2017; Ye et al., 2017; de Boer et al., 2018）。利用海洋中丰富且未充分利用的镁的海水来源鸟粪石（STR）作为一种有前景、可能更清洁且成本更低的替代品（Heraldy et al., 2017; Aguado et al., 2019; Bradford-Hartke et al., 2021; Ishfaq et al., 2022）。然而，现有的关于STR的研究主要集中在工艺回收和结晶上，只有少数研究扩展到了下游的农艺测试（Siciliano, 2016; Sciarria et al., 2023）；因此，STR的农艺性能、环境安全性和对作物生理的潜在影响仍不够明确，特别是在与田间相关的淹水和氧化还原动态土壤条件下。

更广泛地说，即使对于一般的鸟粪石肥料，其在淹水、微生物活跃土壤中的作用机制也尚未解决：虽然物理化学控制因素（如pH值、离子强度和根系诱导的酸化）被认为很重要（Talboys et al., 2016; Degryse et al., 2017），但新兴证据表明，生物介质（如磷酸盐溶解微生物）可以显著调节来自难溶性磷源的养分释放（Di Tomassi et al., 2021; Jokkaew et al., 2022）。此外，通过不同原料和工艺回收的鸟粪石可能在杂质成分和相关生态风险方面存在差异，因此评估STR是否改变了与水生作物养分循环和系统稳定性相关的本土土壤微生物群落尤为重要。

总的来说，来自陆地系统的现有证据不能直接应用于淹水水生栽培，因为在淹水条件下，氧化还原动态、强烈的磷吸附-解吸和活跃的微生物过程可能会改变鸟粪石的溶解和植物可利用的磷。此外，对于海水来源的鸟粪石，其农艺性能和潜在的环境影响在田间相关的淹水条件下仍缺乏足够的记录。在这里，我们在基于莲的淹水栽培系统中评估了STR，并通过联合评估植物生长和磷营养、土壤养分动态、微量元素以及基于Illumina的微生物群落谱型，为其在水生农业中的可持续应用提供了数据支持。

部分摘录

种植材料和施肥处理

本研究中使用的水源鸟粪石（STR）是根据中国专利CN201810973674.8由Haohai Biotech在中国渤海地区的沿海设施生产的，其综合制造成本为每吨1214至1357美元。这种创新的生产方法提高了STR的矿物养分含量（表1），使其区别于磷酸镁铵肥料，并且与天然鸟粪石非常相似。制备过程从

水源鸟粪石肥料的特点

我们对水源鸟粪石（STR）的元素分析显示，其磷含量高达141.5 mg/g，远高于SUP的75.76 mg/g（表1）。此外，STR的镁含量为159.05 mg/g，远超过SUP的11.74 mg/g。此外，STR中的重金属含量明显低于SUP，表明在减少土壤污染风险方面具有环境优势

讨论

水生农业的可持续集约化需要在淹水条件下保证可靠的磷供应，同时尽量减少对上层水体和下游生态系统的损失。尽管鸟粪石在陆地系统中被广泛认为是缓释肥料，但其在淹水土壤的生物地球化学限制下的有效性仍不够明确，特别是对于海水来源的鸟粪石。在这里，我们通过证明STR可以提供农艺

结论

本研究有助于我们理解水源鸟粪石对水生植物栽培，特别是莲的农艺效应。STR提供了一种可持续的替代方案，可替代不可再生的磷矿石，具有减少重金属含量和支持循环经济等环境优势。其持续的养分释放促进了植物的营养生长和繁殖生长，从而提高了农业生产和可持续性。

CRediT作者贡献声明

李一凡：撰写——初稿、验证、调查、正式分析、数据管理。梁克凡：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。冯洁明：撰写——初稿、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。徐英春：撰写——初稿、可视化、验证、监督、资金获取。郭欢：监督、资源。徐颖：

数据可用性声明

支持本研究发现的原始测序数据已存入中国国家基因组数据库（CNGB）的CNGB Sequence Archive（CNSA），项目访问号为CNP0008204。数据可在以下网址公开获取：https://db.cngb.org/data_resources/project/CNP0008204

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（编号32471949；U2003113）资助。