编辑推荐：
磷流动与利用效率研究：基于中国食物系统的二十年动态分析，发现总磷输入从2000年的7.6 Tg/年增至2015年峰值后下降，农业贡献最大，水产业效率最低（8.4%）。主成分分析揭示秸秆利用效率（权重0.35）和消费后废弃物回收（权重0.28）为核心驱动因素，情景模拟表明循环策略可使2050年磷流失减少14.6%。研究提出整合管理、提升回收率和改善污水处理设施等建议。
作者：王娅 | 刘欣
中国江苏省河海大学地理与遥感学院水土过程与流域重点实验室，南京，211100
摘要
磷（P）对全球粮食生产至关重要，但其过度使用已经超出了地球的承载能力，威胁到了粮食安全和环境的可持续性。本研究量化了过去二十年中国粮食生产-消费系统中磷的流动情况以及磷利用效率（PUE），并确定了影响PUE变化的主要因素。总磷输入量从7.6吨/年增加到10.9吨/年，主要源于农作物生产中的化肥使用；而磷的输出量则从2.6吨/年增加到3.3吨/年。尽管通过粪便和作物残渣的再利用，磷的回收率提高了47.0%，但仍保持相对稳定（60.7-61.5%）。在各子系统中，食品加工业的磷利用效率最高（75.2%），而水产养殖业的磷利用效率最低（8.4%）。主成分分析表明，秸秆利用率和消费后废弃物的回收是影响磷利用效率的关键因素。情景分析表明，采取循环策略可将未来的磷损失减少14.6%。水产养殖业低磷利用效率以及动物粪便的高损失率表明需要综合管理、改进回收机制并升级基础设施。城乡差异和经济因素凸显了政策支持和环境教育的重要性。加强城市污水处理可以显著减少磷的损失。这些发现为制定有针对性的干预措施提供了依据，以最大化磷的回收利用，减少化肥需求，并减轻环境影响。
引言
磷（P）是作物生长所必需的营养元素，对保障全球粮食安全至关重要。然而，人类活动，尤其是粮食生产和消费，已成为加速全球磷循环的主要因素（Liu等人，2023a；Liu等人，2023b；Alewell等人，2020）。在从生产到消费的整个粮食系统中，人类活动导致的磷代谢活动强度增加但效率低下，引发了严重的环境问题，如富营养化和生物多样性丧失（Yuan等人，2018；Schindler等人，2016；Springmann等人，2018）。
这一挑战在中国尤为突出，因为农业系统的磷利用效率（PUE）仍然较低，这表明在可持续磷管理方面存在重大瓶颈（Chowdhury和Zhang，2021）。自20世纪80年代以来，快速的城市化和经济改革从根本上改变了中国的饮食结构（He等人，2018）。向以动物为基础的饮食方式的转变使得磷的足迹在1961年至2007年间增加了400%（Metson等人，2012）。同时，过去二十年其他食品行业的发展，如蔬菜生产、淡水养殖和食品加工业，进一步加剧了磷的流动和积累（Yan等人，2013；Huang等人，2020；Yang和Zhang，2023）。鉴于这些复杂因素，要改善可持续的磷管理，需要全面了解中国粮食系统中的磷流动情况，以减少过度使用并减轻环境影响。
为了描述变化中的人为磷流动并识别关键损失途径，物质流分析（SFA）已被全球广泛采用。最近的研究在大陆和国家层面绘制了磷流动图谱，涵盖了欧盟（EU）、葡萄牙、印度和非洲等地区（Muntwyler等人，2024；Lima等人，2024；Wentworth等人，2024；Mnthambala等人，2021；Rothwell等人，2022；Yuan等人，2025）。在中国，研究涵盖了国家级（Gao等人，2020；Wu等人，2015）和次国家级层面，如省级（Liu等人，2023a；Liu等人，2023b）、流域级（L. Liu等人，2024）和城市级（Wang等人，2021）的尺度。这些研究分析了特定子系统内的磷流动或多个子系统之间的交互作用，发现人类活动是中国磷循环加速的主要驱动力。最近，学者们将SFA与环境足迹核算（Jiang等人，2019）和地球边界框架（W. Liu等人，2024）相结合，以评估生态压力和超载风险。
然而，尽管取得了这些进展，现有研究尚未完全捕捉到中国粮食系统中磷代谢的动态变化，仍存在几个关键缺口：（1）时间范围有限且行业代表性不足。以往的研究主要基于2010年代末的数据集，主要集中在作物-畜牧业系统上，因此常常忽略了淡水养殖等新兴领域的磷流动情况，也无法反映粮食系统的最新动态。（2）对内部循环的关注不足。以往的研究侧重于量化磷损失和环境排放，而忽视了系统评估不同子系统之间磷回收途径的潜力。（3）驱动因素与未来趋势之间的脱节。现有研究很少将定量因子分解分析与未来磷流动预测相结合，从而未能明确预测未来情景下磷流动的具体驱动机制。
为填补这些知识空白，本研究使用Liu等人（2016）更新的模型，描述了2000年至2022年中国粮食系统中磷流动模式的变化。该模型专门针对与粮食系统密切相关的磷流动进行了调整，纳入了之前被忽视的水产养殖相关路径。通过开发五个具体评估指标，我们进一步定量识别了影响磷利用效率（PUE）的关键驱动因素，并预测了在不同技术改进情景下的磷流动轨迹。这些发现有望为粮食系统的可持续磷管理提供战略路线图，以实现确保粮食安全和减少环境污染的双重目标。
研究部分摘录
系统边界
本研究使用基于Liu等人（2016）建立的模型，量化了2000年至2022年中国粮食系统中的磷流动情况。与原始模型相比，本研究的重点有所不同。原始模型强调了一个包含自然过程和人类代谢的层次化国家磷循环，而本研究则专注于完全由人类活动驱动的磷循环。
中国磷流动的时间动态
共量化了粮食系统中的十三个输入和输出流（图1）。从2000年到2022年，系统中的总磷输入量呈波动上升趋势，从7.6吨/年增加到10.9吨/年（图2a）。值得注意的是，2015年是一个转折点，总磷输入量达到峰值，这一趋势与作物生产子系统的动态高度吻合，该子系统是系统总磷输入的主要来源。
具体而言，作物生产子系统的磷输入量
与以往国家级研究的比较
与现有文献的比较显示，中国磷循环存在一致性和差异性。磷输入的结构发生了显著变化，化学肥料所占比例最大，其次是动物粪便。这一观察结果与Ludemann等人（2024）的发现一致，他们报告称2020年土壤肥料（SF）是总养分输入的主要来源，其次是生物固氮（N）和粪便施用
结论
本研究量化了2000年至2022年中国粮食系统中磷流动的时间动态，发现总磷输入量在2015年达到峰值后开始下降。这一趋势验证了“零增长行动计划”在成功将资源消耗与生产增长脱钩方面的有效性。此外，通过机制分析（PCR）发现，宏观经济力量，特别是城市化和经济增长，对磷流动产生了重要影响。
作者贡献声明
王娅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，数据分析，概念构建。刘欣：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论，资金获取，概念构建。
数据可用性声明
活动数据主要来源于国家和行业统计年鉴及公共数据库。手稿中讨论的所有补充磷相关参数和表格均包含在补充材料中。如需进一步详细数据集，可提出合理请求。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国江苏省自然科学基金（SBK2024030192）的支持。
