文章信息
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文章标题：Fertilizer dependency: a new indicator for assessing the sustainability of agrosystems beyond nitrogen use efficiency
标题译文：肥料依赖性：评估农业系统可持续性超越氮利用效率的新指标
发表期刊：Agronomy for Sustainable Development
在线时间：2024.08.28
通讯作者：Miguel Quemada
作者单位：西班牙马德里理工大学
研究背景
Background
农业系统依赖外源氮来生产食物，但目前缺乏衡量社会对肥料依赖性的指标。研究目标是提出一个新的指标——氮肥依赖性（N fertilizer dependency），计算为人类可控的外部输入与总氮输入的比率。氮肥依赖性基于氮素利用效率（NUE）方程的数学基础，旨在补充作物系统（植物-土壤）尺度和不同空间尺度（从田地到国家）的可持续性评估。研究还探讨了通过改善作物系统内部氮源（如生物固氮和灌溉水氮输入）来减少对氮肥的依赖。
主要结果
Results
在田间实验中，通过改变前茬作物种类（如将大麦换成豆科作物草豌豆），在施肥处理中，氮肥依赖性降低了约15%。这表明土壤中氮的遗留效应和生物固氮对减少氮肥依赖性有重要作用。
在农场尺度的研究中，氮肥依赖性的范围从47%到95%，中位数为76%。这表明生物固氮和灌溉水中的氮输入对减少氮肥依赖性的具有重要作用。西班牙农场主要依赖矿物肥料，而德国农场则依赖有机肥料。
在国家尺度上，2013年全球作物系统的氮肥依赖性中位数约为83%，表明大多数国家高度依赖氮肥。过去几十年中，全球氮肥依赖性从71%上升到83%，尽管区域间的氮转移有所增加。
在1961-2013年期间，139个国家中有76个国家的氮肥依赖性呈上升趋势，而37个国家呈下降趋势。例如，中国由于增加化肥使用，氮肥依赖性从55%增加到91%；而巴拉圭由于增加大豆种植，氮肥依赖性从83%降低到37%。
氮肥依赖性与氮素利用效率（NUE）之间存在轻微的负相关关系，但在40-80%的常见NUE范围内，不同国家的氮肥依赖性差异很大，表明氮肥依赖性可以提供NUE无法提供的信息。
文章图表
Figures & tables
图1: 西班牙中部冬小麦作物系统实验，目的是评估豆科和非豆科作物后氮素利用效率。不同颜色反映了不同的前作物或不同的氮肥施用率。
图2: 肥料依赖性（FDN）的组成部分。A. 包括FDN在内的与氮素相关的效率，闭合了氮素利用效率（NUE）方程。B. 作物系统中的输入和输出。
图3: 不同主要作物（小麦和大麦）在不同前作物后田间尺度上的氮肥依赖性（A, B），以及不同氮水平和前作物下的情况（C, D）。
图4: 每个主要作物（小麦或大麦）在不同前作物（大麦、休耕、油菜、草豌豆）后，土壤供应的氮素（A）和作物氮素产出（B）。
图5: 每个主要作物（小麦和大麦）在不同前作物后（A, B），以及不同氮水平和前作物下（C, D）的氮素利用效率（NUE）。
图6: 农场尺度上的氮素产出、输入和肥料依赖性（农场数量45）。
图7: 2013年国家和全球尺度上作物系统的氮肥依赖性（FDN）。国家面板显示了选定国家1961-2013年期间FDN的演变，包括世界聚合值。橙色线（局部估计散点图平滑，loess调整）表示显著增加趋势（Mann-Kendall检验），蓝色线表示减少趋势。
图8: 2009-2013年期间氮素利用效率（NUE）与氮肥依赖性之间的关系。黑线代表loess回归和标准误差（灰色阴影区域）。
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