文章简介
题目：
Localized nitrogen management strategies can halve fertilizer use in Chinese staple crop production
期刊：
Nature Food
第一作者：
Yize Liu
第一发表单位：
北京师范大学
摘要
氮管理是实现粮食安全和环境可持续性的关键。本文使用一个本地化氮管理模型分析了中国1690个县的小麦、玉米和水稻的氮流动，细分了多种反应性氮（Nr）损失路径。结果显示，2015年中国生产这三种主要粮食作物的总氮输入为22.2兆克氮，其中7.4兆克氮收获为粮食氮，4.0兆克氮以NH3（47%）、NOx（10%）、N2O（3%）以及淋溶和径流（40%）的形式损失。假设采用效率最高的10%县的生产水平，并超过区域平均产量，我们揭示了通过减少49%合成氮肥投入（10.4兆克氮）和减少52% Nr损失（2.9兆克氮）来实现到2050年国家粮食生产目标并改善净生态经济效益的可能性。
文章解读
氮（N）是作物生产所必需的养分，在确保人类粮食安全方面起着关键作用。为了支持不断扩大的粮食和饲料供应，农田中合成氮肥和粪肥的使用量有所增加。然而，作物仅利用了42%的总氮输入，而超过一半的氮通过各种途径流失到环境中，导致了一系列环境问题，并对农业生产力、人类健康和经济繁荣构成了显著风险。例如，氨气（NH₃）和氮氧化物（NOₓ）通过形成细颗粒物和光化学烟雾，对人类健康产生不利影响。氧化亚氮（N₂O）排放加剧全球变暖并促进气候变化。硝酸盐的淋溶和径流对生态系统构成了重大威胁，导致水体富营养化和生物多样性丧失。饮用水中的硝酸盐污染也带来了健康风险，可能导致高铁血红蛋白症或“蓝婴综合症”。此前估算表明，由反应性氮（Nr，除氮气（N₂）外的所有氮种类）污染带来的全球损害成本占全球国内生产总值的0.3%到3%。因此，提升氮利用效率（NUE）并减轻不同形式的Nr损失引发的有害环境影响，已经成为科学家、政策制定者、消费者、农民、生产商以及与农业投入相关行业的全球优先事项，因为各方对这一问题的共识越来越强。
全球范围内，主要粮食作物（小麦、玉米和水稻）是人类维持生计的主要食物来源，而中国分别贡献了全球小麦、玉米和水稻产量的18%、23%和27%。然而，中国的粮食作物生产以过量使用合成氮肥为特征，同时氮利用效率（NUE）不足。中国粮食作物的氮输入中约有80%至84%来自合成氮肥，占全国合成氮肥的54%。值得注意的是，中国粮食作物的NUE在0.20至0.24之间，远低于全球小麦（0.42）、水稻（0.39）和玉米（0.46）的平均水平。保持稳定的生产和确保三大粮食作物的可持续性是中国农业部门的关键任务。近年来，中国实施了一系列措施以减少过度使用合成氮肥并提高农业系统中的NUE（例如，“零化肥增长”和“化肥减量增效”政策）。由于当地环境因素和管理实践存在巨大差异，农业系统在空间上具有多样性，尤其在中国，小农场主主导了作物生产系统。基于空间明细化的农田氮流动评估，迫切需要制定区域特定的优化策略，以更好地实施这些全国性措施。
之前关于农田氮流动的研究主要集中在全球或国家层面。全球范围内，Zhang等人使用了13个不同的氮预算数据集比较了农田氮流动。在国家层面，Einarsson等人基于FAOSTAT、欧盟统计局和一系列国家数据来源，提供了欧洲农田氮流动的详细定量图，涵盖了26个国家，并详细描述了17类作物的氮收成。然而，全球和国家层面的研究无法捕捉到环境因素（例如气候和土壤）、社会经济条件和管理实践在局部层面的巨大差异。要开发可持续氮管理的区域特定策略，必须进行更加精细的农田氮流动评估，考虑到环境和社会经济条件的变化。已经进行了一些尝试，例如Liu等人以9×9平方公里的分辨率估算了全球农田的氮流动，并在2000年确定了Nr损失热点和氮稀缺地区。Kim等人评估了美国玉米带的高分辨率氮流动，识别了排放热点和减排潜力。Liang等人在7个选定国家计算了Nr的空间强度，以确定减轻Nr污染的优先事项。在中国，Gu等人基于1公里分辨率的土地利用地图，建立了14个子系统的氮预算。尽管高分辨率研究提供了详细的空间信息，但在整合对政策制定至关重要的社会经济数据方面仍存在研究空白。本研究通过县级农田氮流动分析，能够将其整合到地方社会经济数据库中，从而提高决策精度，揭示大量的本地减排机会。
在本研究中，针对中国的1690个县级小麦、玉米和水稻生产系统进行了县级氮评估。具体而言，本研究建立了一个由多种来源构成的县级氮输入数据库，并估算了县级NUE和Nr损失情况，包括NH₃、N₂O、NOₓ及淋溶和径流。接着，本研究提出了一个分阶段实施的本地化氮管理路径，旨在实现农业可持续生产。最后，本研究分析了一个未来情景，假设氮利用效率最高的前10%县达到生产水平，产量超过区域平均水平，到2050年满足粮食需求，同时全国范围内N污染减少52%，净生态经济效益提高22%。
（注：以上翻译来着ChatGPT，具体文章内容请以原文内容为准。若解读有误欢迎探讨指正。）
主要图表
Fig. 1: N budgets and distribution of Nr losses for three staple crops in China.
Fig. 2: Nr losses in different forms in the production of three staple crops in 2015 at the county level.
Fig. 3: Schematic illustration of a phased implementation of localized N management.
Fig. 4: Scenario performance in 2050.
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https://doi.org/10.1038/s43016-024-01057-z
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