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摘要：玉米和小麦是全球主要的主食，占世界粮食供应的三分之二。大量使用氮肥导致了显著的反应氮损失。通过机器学习算法，作者团队生成了基于全球田间测量的作物特定土壤反应氮损失的高分辨率地图。2020年，玉米和小麦因合成氮肥使用引起的土壤反应氮年损失分别为0.18、1.62、0.09、1.47和1.10百万吨氮，及0.12、1.33、0.07、1.21和0.95百万吨氮。与这些损失相关的间接N2O排放量分别为玉米45,000吨和小麦37,000吨，水文途径在其中发挥了重要作用。提高氮肥利用效率至60%可以为两个作物实现每年4百万吨的土壤反应氮损失减排潜力，从而减少49%的间接N2O排放。这些结果有助于限制农业中肥料使用的全球氮预算，为改善氮循环与气候反馈的模型预测提供支持。
关键词：氮素损失；氮肥利用效率。
文 章 信 息
译名：减少全球玉米和小麦生产中因肥料使用造成的土壤氮素损失
发表时间：2024年9月17日
期刊影响因子：15.7（2024）
第一单位：农业农村部东南地区低碳绿色农业重点实验室，南京农业大学资源与环境科学学院
通讯单位：农业农村部东南地区低碳绿色农业重点实验室，南京农业大学资源与环境科学学院
文 章 亮 点
l 生成了基于全球田间测量的作物特定土壤反应氮损失的高分辨率地图
l 提高氮肥利用效率至60%可以为玉米和小麦实现每年400万吨的土壤反应氮损失减排潜力
文 章 简 介
·1 研究意义
氮( N )是作物生长和人类生存所必需的营养元素，主要由农业中氮肥的施用提供。玉米和小麦消耗了全球所有作物施用氮肥总量的38 %左右，对施肥引起的土壤活性氮( Nr )损失有显著贡献。多种农业管理措施已被用于减少土壤氮素损失和提高作物氮素利用效率( NUE )，旨在缓解给定Nr成分损失的选项可能刺激另一种温室气体的释放，甚至增加其他温室气体的排放，导致污染转移甚至损害产量。然而，在全球范围内，玉米和小麦种植中NUE和土壤Nr损失之间的相互作用和权衡仍然不清楚，尤其是提高NUE将有助于减少土壤Nr损失的程度还没有很好的量化。本文利用随机森林( random forest，RF )算法，综合考虑气候、土壤和施肥等因素的影响，以5 arcmin的分辨率构建了2020年全球玉米和小麦农田F - Nr分布图。进一步，文章对玉米和小麦施肥通过主要途径造成的土壤氮损失进行了全球估算，包括直接和间接的N2O排放、NH3挥发、NO排放、氮淋溶和径流。·2 研究方法
（1）文献检索与数据提取：研究团队从2000年至2022年间的同行评审文献中收集了关于土壤氮损失（如氨挥发、N2O和NO排放、氮淋洗和径流）的数据，建立了一个综合数据库。使用特定的关键词组合，筛选出符合条件的研究，确保数据的可靠性。
（2） 数据分析与统计：对提取的数据进行标准化的配对元分析，以计算土壤氮损失因子（F-Nr）和氮利用效率（NUE）的加权均值。使用线性混合效应模型评估氮利用效率对土壤氮损失的影响。
（3）机器学习模型构建：采用随机森林（RF）算法生成2020年全球玉米和小麦田的土壤氮损失因子的高分辨率地图。模型考虑了气候、土壤特性和施肥等因素，进行训练和测试，以优化参数并评估模型的预测能力。
（4）全球氮损失估算：结合土壤氮损失因子和氮输入数据，计算全球玉米和小麦施肥引起的土壤氮损失。通过不同的情景分析（如使用增强效率氮肥和提高氮利用效率）评估氮损失的减缓潜力。
（5） 不确定性分析：通过引导抽样和蒙特卡洛方法评估模型预测的不确定性，确保结果的可靠性。
（6） 特征重要性评估：使用均方误差的百分比增加评估随机森林模型的特征重要性，识别影响土壤氮损失和氮利用效率的主要驱动因素。
·3 研究结果
3.1土壤活性氮直接损失因子及主导驱动因子
研究使用随机森林模型生成了2020年全球玉米和小麦田的合成氮肥直接土壤反应氮（Nr）损失因子的高分辨率地图。结果显示，玉米和小麦的土壤Nr损失因子具有显著的空间异质性，受气候、土壤特性和施肥管理的共同影响。具体的土壤Nr损失因子（F-Nr）估算如下：（1）玉米的F-N₂O为0.88%，F-NH3为8.11%，F-NO为0.44%，F-N leaching为7.36%，F-N run-off为5.52%。（2）小麦的F-N₂O、F-NH₃、F-NO、F-N leaching和F-N run-off的值略低于玉米。揭示了影响F-Nr的主要驱动因素，土壤特性（如土壤有机碳含量和pH值）对F-N₂O和F-N leaching的空间变化起着重要作用。此外，气候因素（如年均气温）也对氨挥发的F-NH₃有显著影响。![]()
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3.2土壤直接氮损失和间接N2O排放
研究估算了2020年全球玉米和小麦施用合成氮肥导致的直接土壤Nr损失。玉米和小麦的土壤Nr损失主要集中在亚洲和北美，分别为1.62 TgN/年和1.35 TgN/年。总体来看，玉米和小麦的合成氮肥施用量分别为19.99 TgN/年和18.96 TgN/年，其中约42%被作物吸收，剩余部分以多种形式损失到环境中。间接N₂O排放的估算显示，土壤Nr损失导致的间接N₂O排放分别为45,000吨和37,000吨，表明水文途径在其中起着主导作用。![]()
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3.3减排潜力
研究探讨了通过使用增强效率氮肥（EEFs）和提高氮利用效率（NUE）来减缓土壤Nr损失的潜力。结果表明，若将NUE提高至60%，可以实现每年减少4.00 Tg的土壤Nr损失，并减少间接N₂O排放49%。具体的减缓情景包括：（1）EEFs替代50%和100%的合成氮肥。（2）将NUE提高至50%和60%。（3）结合使用EEFs和提高NUE的综合方案。这些措施在不同地区的效果存在显著差异，强调了根据具体环境条件制定管理策略的重要性。![]()
3.4本研究的局限性及未来展望
本文研究的局限性主要体现在数据采集和建模的不确定性上。未来的研究应关注以下几个方面：（1） 探索土壤Nr损失的年际变化，利用长期监测数据。（2）考虑休耕季节的土壤Nr损失对总氮预算的影响。（3）开发生物地球化学模型，以更精确地约束全球土壤Nr损失的估算。（4）针对不同作物的F-Nr和NUE之间的权衡关系，寻找适合的管理实践。此外，研究还指出在使用EEFs时可能面临的挑战，强调了优化氮施用策略的重要性，以减少未来氮污染的环境影响。·4 主要结论
玉米和小麦是全球主要的粮食作物，占全球谷物供应的三分之二。两者在种植过程中广泛使用氮肥，导致大量反应性氮（Nr）流失到环境中。本文利用机器学习算法生成作物特定的土壤Nr损失高分辨率地图。我们估计，2020年因使用合成氮肥而导致的全球年度土壤Nr损失分别为：玉米0.18、1.62、0.09、1.47和1.10百万吨氮；小麦为0.12、1.33、0.07、1.21和0.95百万吨氮。此外，因土壤Nr损失而间接引起的氮氧化物（N2O）排放，玉米和小麦分别估计为45,000和37,000吨，水文途径在其中发挥了主导作用。通过提高氮利用效率至60%以下的地区，可以实现2种作物合计减少土壤Nr损失400万吨的潜力，从而将间接N2O排放减少49%。此研究为约束农业中施肥的全球氮预算提供了数据，这将有助于通过建模方法改进氮循环与气候反馈的预测。Reference:
Wang, C., Shen, Y.,
Fang, X. et al. Reducing soil nitrogen losses from fertilizer
use in global maize and wheat production. Nat. Geosci. 17,
1008–1015 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41561-024-01542-x
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生李梓歆
