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文章题目：Agricultural management practices in China enhance nitrogen sustainability and benefit hunman health
发表期刊：《Nature Food》
影响因子：23.2
通讯作者：谷保静 教授
第一单位：浙江大学环境与资源学院
在线日期：2024-04-02
研究背景
全球农业生产目前面临的挑战是在确保粮食安全和保护环境之间寻找微妙的平衡。为了满足不断增长的人口需求，广泛使用灌溉水、农药和肥料以及耕地面积的扩展。虽然这些实践有效地解决了即时的食物需求，但也导致了大量的农业污染。实验研究强调，多种管理实践，如综合利用有机肥、肥料深层施用和秸秆还田等，能够优化资源利用，减少环境影响。全球各地的政府已经实施了政策和规定，旨在激励可持续农业实践，鼓励农民采纳方法，确保农业部门以环境负责的方式运作。
然而，对改进管理实践及其在减少环境污染方面的效果的全面评估仍然缺乏。为各种利益相关者（包括农民、研究者和公众）广泛提供评估结果和数据至关重要，这有助于促进明智的决策，增强问责性，并持续改进政策实施。这种透明度有利于适应性管理，允许对策略进行改进，以应对新的挑战和进一步的环境增强机会。中国在这方面提供了一个有趣的案例研究，鉴于其作为重要的全球农业生产者以及可持续农业实践的试验场的双重角色。过去几十年，中国政府积极地解决农业污染问题，取得了实质性的进展和宝贵的经验教训。例如，对主要粮食作物的肥料使用效率有了显著提高，而且已实施高效节水灌溉技术，覆盖了中国一半以上的耕地。
研究目的
本文致力于找出有效提高资源效率并减轻环境污染的成功管理实践，并强调了可能需要进一步改进或调整的领域。利用2007年和2017年两次全国农业污染源普查的2,238,550个点的数据，方法包括对十年来农业管理实践变化的定量分析，以及对农业氮（N）使用变化的考察中国各地的损失和氮利用效率（NUE）。研究探讨了管理实践与氮产量和氮利用效率之间的关系。最后，评估了未来各种情景下的农业产量和氮污染，考虑了管理实践的潜在变化，并对相关成本和收益进行了全面评估。
研究结果
氮素使用和损失
2007年至2017年间，中国的N肥输入和畜禽粪便使用量显著下降，分别减少了8%和30%。与此同时，作物收获中的氮增加了10%，整体N利用效率提升了18%。具体到地区，如西北、东海岸和南海岸的某些地区在两次普查期间仍保持较高的肥料消耗率，而约60%的耕地实现了肥料使用量的减少。
农业管理实践
有机肥料的使用相对于总的有机-无机输入比例在2007年至2017年间减少了4%。免耕作、肥料深层施用和秸秆还田的实践在同一时期内呈现出积极变化，但有机肥料使用的下降表明在推广有机肥料方面存在挑战。
氮与管理实践之间的关系
研究通过对两次普查数据的深入分析，发现深层施肥、有机肥料使用比例的提高和秸秆还田量的增加与作物的氮收获和氮利用效率(NUE)的提高具有显著正相关。这些管理实践对于优化资源利用、提升作物产量和减少环境影响至关重要。
未来情景
对未来的情景分析预测，通过综合采用当前的最佳管理实践，可以进一步减少农田氮损失，最多达到每年1.4Mt，同时保持或提升作物产量。这些情景展示了通过改进农业管理实践减少氮污染的潜力，同时指出环境和健康的益处将持续超过实施成本，预计未来总收益可达150亿美元。
成本与收益
成本-收益分析揭示，虽然采纳这些管理实践需要较大的初期投资（最高达110亿美元），但长期来看，环境和健康方面的收益预计将显著超过成本。这强调了实施这些管理实践的经济合理性和对公共健康的潜在益处。
图1 2007-2017年中国氮总量利用和损失变化以及农业管理实践a、全国肥料、粪便和收获物中氮的平均值；NUEc；粪便百分比；免耕百分比；秸秆回收量；肥料深施比例；N2O排放量；NH3排放；2007-2017年中国淋溶径流变化(%)。b、2007-2017年全国化肥、粪肥、秸秆回收中的氮总量、N2O和NH3排放量、淋溶和径流变化（Tg）及相关政策。黑色数字是2007年的值，带有加号或减号的红色数字表示2007年和2017年之间的变化。
图2 2007年至2017年氮肥利用的空间变化。a-c，2007年(a)和2017年(b)化肥氮输入量，以及2007年至2017年氮输入量变化(c)。d-f，2007年(d)和2017年(e)粪便中氮输入量，以及2007年至2017年粪便中氮输入量变化(f)。g–i，2007 年 (g) 和 2017 年 (h) 的 Nharvest，以及 2007 年至 2017 年 Nharvest 的变化 (i)。j–l，2007 年 (j) 和 2017 年 (k) 的 NUEc，以及 2007 年至 2017 年 NUEc 的变化 (l)。数据来源于2007年和2017年两次农业污染源普查，结果为县平均数。
图3 2007年至2017年氮流失到空气和水中的空间变化。a-c，2007年（a）和2017年（b）N2O排放量，以及2007年至2017年N2O排放量变化（c）。d-f，2007年（d）和2017年（e）NH3排放量，以及2007年至2017年NH3排放量变化（f）。g–i，2007年(g)和2017年(h)的氮淋溶，以及2007年至2017年(i)的氮淋溶变化。j–l，2007年(j)和2017年(k)氮径流，以及2007年至2017年氮径流变化(l)。这些值是根据化肥和粪肥中的氮含量（如图 2 所示）以及排放、淋溶和径流因子计算的。结果代表县平均水平。
图4 2007年至2017年农业管理实践的空间变化。a-c，2007年(a)和2017年(b)粪便百分比，以及2007年至2017年粪便百分比变化(c)。d–f，2007 年 (d) 和 2017 年 (e) 免耕百分比，以及 2007 年至 2017 年免耕百分比变化 (f)。g–i，2007年（g）和2017年（h）回收秸秆中的氮，以及2007年至2017年（i）回收秸秆中氮的变化。j–l，2007 年 (j) 和 2017 年 (k) 的深度安置百分比，以及 2007 年至 2017 年深度安置百分比的变化 (l)。所使用的数据来自2007年和2017年两次农业污染源普查。粪便百分比为粪便中的氮除以化肥和粪便的总和；免耕百分比是免耕模式的数量除以所有模式的数量；深施百分比是深施肥料和粪肥中的氮除以总量。结果代表县平均水平。
表1 农业管理实践对所有作物和谷物的氮肥收获和农田 NUE 的影响。
图5 未来的场景以及成本和收益。a，收获时的氮。b、NUE。c、氮流失（包括N2O排放、NH3排放、氮淋失和径流）。d，每种情况的成本和收益。标有“OBS”的实线代表基于《中国农业统计年鉴》和更新的 CHANS 模型52 2000 年至 2020 年的观测值。黑色、紫色、绿色、橙色和红色虚线分别代表 BAU、POL、SUG、M50 和 SUG50 场景。BAU，假设没有干预；POL，每5年增加5%的有机肥用量并取代无机肥；SUG、化肥和厩肥共同减少至推荐施氮量；M50，场景逐渐将粪便比例提高至50%；SUG50，SUG和M50的组合。具体值和不确定性分析的结果显示在源数据中。每个场景的计算是通过比较每个场景与BAU场景之间的差异来进行的。数据表示为平均值±s.e.m。误差线代表蒙特卡洛模拟的不确定性分析，总共 10,000 次迭代。