1、磷资源可持续利用研究平台磷资源可持续利用研究平台Sustainable Phosphorus Platform报告提纲报告提纲一、磷资源面临的问题二、磷可持续利用平台介绍三、磷平台研究框架四、磷平台研究展望30204060801001201401601995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017P rock production(million tons)yearChinaUnited StatesMorocco and Westren SaharaRussiaJordan0.37%19.78%61.54%4.03%1.8
2、3%0.00%0.37%2.56%5.13%1.83%1.47%1.10%On-site sand wastePrimary phosphate mine slimesPhosphoric tailingsSecondary phosphate mine slimesPhosphogypsumFerro phosphorusPhosphorus slagCrop residuesAnimal wasteHuman excrete wasteOther Human wasteFood waste磷矿开采增加、品质下降、污染严重磷矿开采增加、品质下降、污染严重Losses to water Qua
3、lity of phosphate rock（USGS,2017；Chen et al.,2016)MaizeWheatRice作物需求和磷肥供应不匹配作物需求和磷肥供应不匹配需求需求供应供应051015201970197519801985199019952000200520102015Chemical P products（Mt）Single superphosphateTriple superphosphateOther P straightAmmonium phosphateOther NPP K compoundN P K compoundDiversification of crop
4、 demandProducts tend to be highly concentrated0 20 40 60 WheatMaizeRicePercentage of planting area60Wheatn=117729 kg P ha-1Maizen=157822 kg P ha-1Ricen=121213 kg P ha-180%of croplands was P overused in the 2000s(Farmer survey data during 2005-2014)作物磷肥利用率低，农田磷累积高作物磷肥利用率低，农田磷累积高食物链中磷利用效率低，损失多食物链中磷利用效
5、率低，损失多CropproductionHuman consumption 80201001664213FarmP rock(Conley et al.,2009;Vitousek et al.,2009)Crop productionsystem Animal production systemHuman consumption Nutrient flowEnvironmentEnvironmentEnvironmentFertilizer industry需要全产业链、系统性研究来提高磷利用效率，实现磷资源需要全产业链、系统性研究来提高磷利用效率，实现磷资源可持续利用可持续利用 欧洲磷可持
6、续利用平台欧洲磷可持续利用平台 北美磷可持续利用联盟北美磷可持续利用联盟国际上已经开展的磷资源可持续利用平台国际上已经开展的磷资源可持续利用平台磷资源可持续利用研究平台磷资源可持续利用研究平台Sustainable Phosphorus Platform(SPP)平台目标平台目标:采用多学科研究、评价方法和体系，搭建跨学科磷研究采用多学科研究、评价方法和体系，搭建跨学科磷研究平台，以农业生态系统为核心，联系全部磷物质流系统，解决系平台，以农业生态系统为核心，联系全部磷物质流系统，解决系统界面上限制磷高效的卡脖子问题，实现磷资源可持续利用。统界面上限制磷高效的卡脖子问题，实现磷资源可持续利用。C
7、onceptual model for SPPP in environment1.Transfer of P from land to waters2.P recycling from environment P in Agri-food system P in agriculture production 1.Genetic and biological control of PUE2.Rhizosphere processes and management for Improving PUE3.P management in cropping system P resource and f
8、ertilizer1.Phosphorus resource protection2.P fertilizer production(mining&producing(industry)P in agriculture consumption1.Quality of agriculture product for nutrition2.P flow in consumption systemP recycling and policy1.P management2.P policy for sustainability磷平台研究框架磷平台研究框架（1）磷资源保护与磷肥创制（2）农业生态系统磷高
9、效利用机制与调控途径（3）环境中磷损失阻控途径与回收技术（4）磷循环与政策在几个界面上开展创新性工作在几个界面上开展创新性工作（1）工业-农业界面：以农业需求生产工业磷肥产品（2）根-土界面：根-土-微生物互作活化吸收磷的机制与调控（3）种-养界面：有机肥中磷高效利用（4）多界面：磷物质流模拟与定量磷平台的创新工作磷平台的创新工作Agricultural DemandResource SupplyResource efficiencyEco-efficiencyEconomic benefitTechnology supportProduct innovationClassification
10、utilizationAssociated resourcesRecycling,RecoveryEnvironment constraintsCarrying capacity Envrion.StandardsResourcesEnviron.impact Phosphate industrial subsystemPhosphate Rock MiningPhosphate Rock ProcessingPhosphate AcidProduction Chemical fertilizerPhosphorus slagPhosphorictailingsPhosphogypsumSys
11、tems InnovationStable PoolLabile PoolPManureAtmos.depositionPSeedPOthersPCropWater streamsAgriculture subsystemPFertilizerWeatheringFertilizer products Agricultural practices Crop/soil characteristicsClimate Subsurface layerInterflow layerGroundwater layerScio-economic effectsEconomic efficiencySoci
12、etal acceptanceMarket/Cost/TradeProduct distribution1231.磷资源保护与磷肥创制磷资源保护与磷肥创制工业工业-农业界面创新：农业界面创新：打破磷肥供应与需求不匹配格局，根据农业需要生产的磷肥，开发新型磷肥。打破磷肥供应与需求不匹配格局，根据农业需要生产的磷肥，开发新型磷肥。影响因素 解决方案验证手段应用场景磷肥创新研发链研究框架磷肥创新研发链研究框架径流损失侵蚀损失淋洗损失沉淀损失吸附损失生物吸收u 调节释放速率LSD鸟粪石u 减少Ca-P 反应固态 VS 液态u 减少吸附反应纳米磷肥胶体磷肥u 促进植物吸收固体 VS 粉末叶面肥u 培养皿
13、试验磷肥溶解特征扩散面积溶解量u 盆栽试验生物有效性作物干重作物磷含量同位素示踪u 模拟降雨试验径流损失淋洗损失u 缓控释磷肥强降雨地区水体富营养化地区u 液体磷肥石灰性土壤飞防u 鸟粪石类（枸溶）酸性土壤2.农业生态系统磷高效利用机制与调控途径农业生态系统磷高效利用机制与调控途径（1）根根-土界面创新：土界面创新：根根-土土-微生物互作提高土壤磷利用效率的新机理与调控途径。微生物互作提高土壤磷利用效率的新机理与调控途径。四两拨千斤：启动磷调控菌丝际微生物互作四两拨千斤：启动磷调控菌丝际微生物互作菌丝际定殖着解磷微生物，菌根能分泌碳激发菌丝际定殖着解磷微生物，菌根能分泌碳激发细菌活性，解磷微生
14、物同菌根竞争磷。细菌活性，解磷微生物同菌根竞争磷。地 上 部 磷 含 量 Shoot P(mg P pot-1)051015CK RA RIn RIn/RA CK RA RIn RIn/RAKH2PO4+KH2PO4aabbabcc*不加启动磷加启动磷不加启动磷不加启动磷加启动磷加启动磷Zhang et al.,2016,New Phytologist;2018,The ISME Journal在菌丝际加启动磷肥，缓解解磷微生物同菌根在菌丝际加启动磷肥，缓解解磷微生物同菌根真菌的竞争作用，提高植物磷吸收。真菌的竞争作用，提高植物磷吸收。Hiruma et al.,2016,Cell对于非菌根植
15、物拟南芥，在缺磷条件下可以与病原菌对于非菌根植物拟南芥，在缺磷条件下可以与病原菌形成共生关系来吸收磷形成共生关系来吸收磷植物在营养缺乏条件下，会权衡营养和免疫的关系，借助其它非共植物在营养缺乏条件下，会权衡营养和免疫的关系，借助其它非共生微生物获取养分生微生物获取养分高山南芥在缺磷条件下可以允许其它非菌根真菌长到根高山南芥在缺磷条件下可以允许其它非菌根真菌长到根系内部，形成类似菌根真菌的结构系内部，形成类似菌根真菌的结构Almario et al.,2017,PNAS植物体内磷的再利用机制植物体内磷的再利用机制Xu et al.,2019,Nature PlantsTakami et al.,
16、2018,Nature Plants植物细胞液泡内磷再利用机制植物细胞液泡内磷再利用机制植物细胞叶绿体内磷再利用机制植物细胞叶绿体内磷再利用机制PRRSM创新：创新：基因型基因型P-根系根系R-根际根际R-土壤土壤S-微生物微生物M连续体磷与碳的互作连续体磷与碳的互作P菌丝际菌丝际根际根际基因型基因型微生物微生物CC土壤土壤PC1、根-土界面上的植物-土壤-微生物互作过程与P代谢机制2、根-土界面C、P流动通量的定量化及耦合效应3、利用根-土界面生物互作实现P资源高效利用的调控途径Manure:the“Second”P Source in China4 Tg P from manure,whi
17、le 50%P was reused in ChinaBai et al.,2015（2）种）种-养界面界面创新：有机肥中磷的高效利用。养界面界面创新：有机肥中磷的高效利用。种植业种植业养殖业养殖业种养结合实现磷高效利用种养结合实现磷高效利用3.环境中磷损失阻控途径与回收技术环境中磷损失阻控途径与回收技术目标：减少农业生态系统中磷的损失，提高环境中磷的回收效率。目标：减少农业生态系统中磷的损失，提高环境中磷的回收效率。Sarvajayakesavalu et al.,2018,Ecosystem Health and SustainabilityYamaji et al.,2017,Natur
18、eReducing phosphorus accumulation in rice grains with Impaired SPDT in the node改变作物关键基因能减少农田生态系统磷损失改变作物关键基因能减少农田生态系统磷损失l Anaerobic digestion+Thermal conversion+acid leaching有机肥中磷回收技术有机肥中磷回收技术l Aeration+Anaerobic digestion+Incineration活性污泥中磷回收技术活性污泥中磷回收技术 4.磷循环与政策磷循环与政策Phosphate Ore-P industry Agricu
19、lture systemDownstream Industries Environmental System1.Resources2.Technology3.ProductsFilling the gap between phosphate industry and agriculture 1.P budget2.Soil-crop-fertilization3.Legacy P1.Source-transport-fate 2.Future scenarios 3.Management Environ.ModellingSource-soil-waterInter-resource dyna
20、micsFood-Feed-Fuel systems Animal-Crop systems 124Consumption system1.Footprint2.Dietary/human behavior3.Green consumptionProduction-Consumption systems31.Food industry2.Feed-animal production3.Energy industry 多界面创新：定量化磷物质流过程，找出限制磷高效利用的关键节点，为磷高效利用管理提供依据。多界面创新：定量化磷物质流过程，找出限制磷高效利用的关键节点，为磷高效利用管理提供依据。（Cordell et al.,2009）从物质流动的角度进行磷资源管理从物质流动的角度进行磷资源管理情景演化分析特定介入的敏感性分析肉类饮食比肉类饮食比重重食物浪费比食物浪费比重重食物垃圾回食物垃圾回收效率收效率垃圾回收效垃圾回收效率率粪便利用粪便利用效率效率人口增长人口增长农业利用农业利用效率效率磷平台研究展望磷平台研究展望（1）实现磷资源高效利用，研发出满足农业需求的磷肥产品（2）创新农业生态系统磷高效利用原理与调控途径（3）减少环境中磷损失、高效回收技术（4）提出磷管理的相关政策谢谢！谢谢！请批评指正！请批评指正！
