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本研究量化了2000-2022年中国食物系统磷流动，发现总磷输入从7.6 Tg/yr增至10.9 Tg/yr后趋于稳定。通过主成分分析揭示秸秆利用效率和餐后磷回收是主要驱动因素，情景分析表明循环策略可减少2050年磷流失14.6%。结果为提升磷效率提供路径。
王雅|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-消费系统中的磷流动及磷利用效率（PUE），并确定了PUE变化的主要驱动因素。总磷输入量从7.6 Tg yr?1增加到10.9 Tg yr?1，主要归因于农作物生产中的化肥施用；而磷输出量从2.6 Tg yr?1增加到3.3 Tg yr?1。尽管通过粪便和作物残渣再利用等方式，磷的回收率提高了47.0%，但总体仍保持在60.7-61.5%的相对稳定水平。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。情景分析显示，采取循环利用策略可在2050年前将磷损失减少14.6%。水产养殖业较低的磷利用效率以及动物粪便的高损失率表明，需要加强综合管理、提高回收率并升级相关基础设施。城乡差距和经济因素凸显了政策支持和环境教育的重要性。改进城市污水处理措施可大幅减少磷损失。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过程虽然强度增加但效率低下，由此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，这成为实现可持续磷管理的重要瓶颈（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）。向动物性饮食的转变使得磷足迹在1961年至2007年间增加了400%（Metson等人，2012）。同时，过去二十年里其他食品产业（如蔬菜生产、淡水养殖和食品加工业）的扩张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，要提高可持续的磷管理，必须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。
为了描述人为磷流动的变化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，相关研究涵盖了国家级（Gao等人，2020；Wu等人，2015）和次国家级（如省级（Liu等人，2023a；Liu等人，2023b）、流域（L. Liu等人，2024）及城市级别（Wang等人，2021）等多个层面。这些研究分析了特定子系统内部或多个子系统之间的磷流动，发现人类活动是加速中国磷循环的主要驱动力。最近，学者们将SFA与环境足迹核算（Jiang等人，2019）及地球边界框架（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，现有研究仍未能完全捕捉中国粮食系统中磷代谢的动态变化，存在几个关键空白：（1）时间范围有限，行业代表性不足。以往的研究主要依赖于截至2010年代末的数据集，且主要集中在作物-畜牧业系统上，因此常常忽视了淡水养殖等新兴行业的磷流动情况，也无法反映粮食系统的最新动态。（2）对内部循环性的关注不足。以往的研究侧重于磷损失和环境排放的量化，而忽视了子系统间循环利用路径的系统性评估，从而未能充分探索提高磷利用效率的潜力。（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，从而无法明确预测未来情景下磷流动的具体变化机制。
为填补这些知识空白，本研究采用Liu等人（2016）更新的模型，分析了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优化，特别考虑了此前被忽视的水产养殖环节。通过开发五个评估指标，我们进一步定量确定了影响磷利用效率（PUE）的关键因素，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指导，以实现确保粮食安全和减少环境污染的双重目标。
研究方法
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。与原始模型相比，本研究的重点有所不同。原始模型关注的是包含自然过程和人类代谢的国家级磷循环，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
本研究定量评估了粮食系统中的十三种输入和输出流动（图1）。2000年至2022年间，系统总磷输入量呈现上升趋势，从7.6 Tg yr?1增加到10.9 Tg yr?1（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，而作物生产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，化学肥料的比例最大，其次是动物粪便。这一发现与Ludemann等人（2024）的研究结果一致，他们指出2020年土壤肥料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，通过机制分析发现，宏观经济力量（特别是城市化和经济增长）对磷流动具有显著影响。
作者贡献声明
王雅：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。刘欣：撰写——审稿与编辑、数据验证、研究监督、方法论制定、资金获取、概念构建。
数据来源说明
活动数据主要来源于国家和行业统计年鉴及公共数据库。论文中讨论的所有与磷相关的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
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国江苏省自然科学基金（SBK2024030192）的支持。
