降低全球农田氮污染的成本效益gydF4y2Ba

养活不断增长和日益富裕的全球人口对粮食和动物饲料生产造成巨大压力gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba．为了增加粮食和饲料供应，集约化农业使用了越来越多的氮肥和粪肥gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．然而，农田氮素投入的一半以上流失到空气和水中，接近全球每年使用的化学氮肥总量120 Tg，导致严重的空气污染(特别是细颗粒物，PMgydF4y2Ba_2.5gydF4y2Ba)、水污染(特别是富营养化)、土壤酸化、气候变化、平流层臭氧消耗和生物多样性丧失gydF4y2Ba^{1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba}．因此，减少农田氮素损失不仅可以增加化肥需求减少带来的直接经济回报，还可以改善人类健康和生态系统服务，减少气候变化gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

减轻农田氮素污染已引起全球关注gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba．已经制定了最佳管理实践，例如4R营养管理(正确的肥料类型、正确的数量、正确的位置和正确的时间)和土壤测试，以精确地向土壤施肥gydF4y2Ba^{8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba}．然而，由于许多限制因素，这些管理实践很少得到充分实施，例如最佳实践在地方范围内存在高度异质性，在某些情况下，农民的实施成本很高(包括高资本和/或运行成本)。gydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba}．因此，我们确定了一套最有效的农田氮素缓解措施，并估计了促进这些措施实施的成本和效益。我们首先通过全球元分析筛选了现有措施的表现，并量化了它们在减少全球农田氮素污染方面的潜力。然后我们计算了这些措施的实施成本和社会效益。最后，我们量化了在全球区域应用这些措施的后果，将措施分为三个层次，不同的实施挑战，从而影响其估计的区域适用性。gydF4y2Ba

通过对过去20年1,521个实地观测数据进行元分析，我们确定了一组11项关键措施，这些措施可以减轻全球各区域农田氮素损失(图2)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)，根据现场实验的详细信息等标准进行选择(见gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．根据专家判断，这些措施被分为三个层次(补充图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(1)第1层，包括N添加方法(增效肥料(EEFs)、有机肥和秸秆等有机改进剂)、作物豆科轮作和建立缓冲区;(2)第2层为4R营养管理，即正确的施肥量、类型、时间和地点;(3)第三层为引进新品种、优化灌溉和耕作(补充图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．缓解措施的实施障碍和成本差别很大。我们根据三个层次对缓解措施进行了分类，这使我们认识到从较低层次到较高层次的执行挑战日益增加(补充表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和补充图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．等级越低，农民就越容易、越便宜地采取措施，因为它只需要有限的知识和很少的额外努力(见gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba，“缓解措施的等级分类”)。gydF4y2Ba

饲养场的肥料管理不包括在内，因为它不属于农田氮管理实践。然而，肥料一旦投入农田，就被视为可以改变农田氮循环的有机改良剂。这些措施的实施将减少几种氮损失:氨(NH)的排放gydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba})、氮氧化物(NOgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba)和一氧化二氮(NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)、活性氮(NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba)．从原理上讲，某些措施可能会减少一种N物种的损失，同时增加其他N物种的损失。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)，特别是因为减少N的损失会增加土壤中有效N的数量，这表明需要采取补偿行动，例如减少N的投入或增加产量gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

总体而言，所列大部分措施可有效减少总氮损失30-70%(补充表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和无花果。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)，同时提高产量10-30%和NUE(收获氮素除以总氮素投入)10-80%。根据我们的荟萃分析，与其他措施相比，EEFs、4R营养管理、灌溉和豆科轮作在减少氮污染方面的总体表现更好(补充表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．为了减少氮素损失，同时提高产量和氮素利用效率，缓解措施节省了供作物使用的肥料氮素，部分原因还在于增加了肥料氮素的投入。例如，EEFs可使总氮损失减少47%，同时使作物产量提高25%，氮素利用效率提高18%。更详细的措施对作物产量、氮素利用效率和氮素损失的影响见补充图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

将11种不同措施的减排潜力整合到N个人与自然系统耦合预算模型(CHANS)中gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba、农业生产及其对环境的影响模型(MAgPIE)gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba全球环境评估综合模型(IMAGE)gydF4y2Ba^13gydF4y2Ba，我们估算了2015年全球耕地氮预算的变化(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．模型结果表明，这些缓解措施减少了32%的氮gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba向空气中的排放(NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba},没有gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba和NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)和水(径流向地表水和淋滤向地下水)，在2015年分别降低了10±2和16±4 Tg N(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．我们还估计在N中减少了8±3 Tg NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放。当NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是一种不活性气体，这种减少并不构成环境的改善，但与其他形式的N流失到环境中的减少一起，可以节省氮肥的使用，降低化肥生产的上游成本，包括相关的污染物和温室气体(GHG)的排放。gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba．这些变化会减少总氮gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba2015年全球农田投入增加18±4 Tg N，增加NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba收获增加17±3 Tg N(增加20%)，导致全球NUE从42%增加到55%(扩展数据图)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．我们计算出，这些措施增加了11±2 Tg N的肥料和秸秆循环到农田，并减少了大气沉降，因为挥发氮较少gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba化肥用量分别减少5±1和22±4 Tg N(减少21%)。gydF4y2Ba

N的还原gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba投入和损失在全球范围内变化(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．N的最大还原量gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba输入(>50 kg N hagydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})和损失(>25 kg N hagydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})在东亚、南亚和东南亚进行了计算，表明这些全球地区氮肥的过度使用。我们计算了较低的减量(<10 kg N hagydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})在高收入地区，如欧盟、澳大利亚和北美，NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba尽管仍有进一步减少氮素的潜力，但农田氮素的使用已接近估计的经济最优水平gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba投入和损失gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba．低NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba在非洲、拉丁美洲、东欧和中亚的部分地区，氮肥有增加的潜力gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba输入(>20 kg N hagydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})以增加粮食产量，特别是在非洲，氮素投入不足已耗尽了土壤氮素储备gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．相比之下，由于氮素利用的优化，东亚和南亚的作物产量和氮素利用效率预计将增加(图2)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．在美国等高收入国家和非洲低收入国家，联合国温室气体利用率只会发生轻微变化，因为这些国家的联合国温室气体利用率已经很高gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba．在国家和区域尺度上N预算的详细变化可以在扩展数据图中找到。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

我们估计，2015年这些措施带来的劳动力成本、材料成本和服务变化带来的全球缓解净成本为190±50亿美元，相当于约14美元公顷gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(无花果。gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba)．这些成本包括化肥节约带来的净效益，估计为150±40亿美元，这意味着初始实施成本(不包括化肥节约)约为340±90亿美元。因此，节省的肥料可弥补这些措施总实施成本的44%。根据我们的估计，仅中国就需要大约50±10亿美元(26美元公顷)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})实施缓解措施，其次是印度，将需要30±10亿美元(16美元公顷)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})(图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba）;这两个国家是最大的合成氮肥消费国和氮肥排放国gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba对环境的贡献。其他国家的净减排成本通常在10亿美元以下，这主要是由于氮含量较少gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba损失和/或更先进的农业机械和训练有素的农民，允许低交易成本实施这些措施。实现NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba尽管包括4R营养管理在内的减少措施，农民可能需要改变他们土地的管理做法gydF4y2Ba^{3 gydF4y2Ba}．gydF4y2Ba

我们估计减少N对整个社会的净经济效益gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba考虑到对作物产量、人类健康、生态系统和气候变化的好处，农田损失约为实施成本的25倍，即4776±1230亿美元(图2)。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba及补充表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．据估计，仅产量增加一项就贡献了196±450亿美元，主要是在作物产量较低的地区，如中东和北非以及撒哈拉以南非洲，原因是氮肥使用不足，以及中国和印度由于氮肥过度使用。氮肥使用不足和过度都会降低作物产量，采取优化化肥使用的措施可以提高作物产量，并节省全球化肥使用总量。gydF4y2Ba

除了节省肥料和增加收成氮素的好处外，约1300±410亿美元来自过早死亡率的降低，最显著的是避免了由PM引起的呼吸道疾病gydF4y2Ba_2.5gydF4y2Ba污染gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba．剩余的152±360亿美元来自于对生态系统服务的损害减少，如富营养化导致的娱乐和财产价值下降。气候影响估计约为- 2±10亿美元(图2)。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)，反映了改善农田氮素管理对气候的潜在损害(图。gydF4y2Ba3 ggydF4y2Ba)．根据我们的方法，NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba一些地区的温室气体排放还可能通过减少自然生态系统的碳固存而加剧全球变暖，这是因为nhh减少导致大气氮沉降减少gydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba}农田排放gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

这些缓解效益是为了整个全球社会，高效益成本比为实施这些措施提供了强有力的动力。但是，由于效益与成本比率的差异和限制因素，这些效益可能难以在区域和地方范围内实现。如果不考虑社会效益(人类健康、生态系统和气候)，在过度使用氮肥的地区(“过多”地区)，减产的货币化成本接近于总实施成本，这就解释了缺乏减少化肥使用的财政激励(图2)。gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba)．相比之下，在氮肥使用不足的“过少”地区，尽管产量效益成本比高得多，但化肥的可获得性低强烈地限制了氮肥的使用。减轻氮污染的成本和效益的不确定性详情见补充表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和扩展数据图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

为了为未来的政策制定提供信息，我们利用三个“层次”类型的缓解措施，探讨了在不同情景下到2050年的农田氮的输入和流动情况。随着2050年氮通量的增加，所有三个层次因避免损害而产生的全球减排总成本和效益也将增加。根据我们的估计，第一级措施为农民提供了净经济效益，而第二级和第三级措施对整个社会来说具有成本效益，但对农民来说涉及大量实施成本，尽管它们也可以从作物产量和节省肥料中获得经济效益(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

因此，第一级措施在全球范围内应用的潜力最大，约占估计的氮缓解潜力的一半gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba对环境的输入和损失(图;gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．除了为人类健康、生态系统和气候带来179±520亿美元的效益外，实施第一级措施还可以通过增加作物收成带来1200±290亿美元的效益。所有一级措施的总实施成本为负，为- 50±20亿美元，主要原因是节省了肥料和豆类轮作可以节省施肥成本(补充表)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

我们估计，在全球范围内实施第二级措施的额外成本为180±40亿美元，这可能是一个障碍，尽管收益为185±550亿美元，其中收益为104±270亿美元。第二级措施的缓解潜力小于第一级措施，因为其执行潜力较低，特别是在欠发达国家(图2)。gydF4y2Ba5 egydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

三级措施的实施将进一步提高农田氮素利用效率，减少氮素gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba损失(图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．第三级措施的总净成本估计为250±80亿美元，尽管它可以节省另外70±20亿美元的肥料成本(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．第三级措施需要更先进的知识和设施。例如，现代灌溉系统是自行驱动的，并配备了无线传感器和GPS技术，以提高特定地点和体积的浇水精度，以满足土壤和作物的需求。改善获取这些措施信息的途径，例如通过农民教育方案，可以帮助建立激励机制，并影响农民的行为，使其更有效地进行氮素管理。gydF4y2Ba

虽然等级分类可能影响不同情景下的缓解潜力预测，但如果实施所有这些措施，则不会改变对总成本和效益的估计。例如，在本研究中，引入新品种被分配到第3层，因为它需要研究和开发，并且在采用之初可能很昂贵。然而，一旦新品种在较发达国家得到广泛应用，它们也可以更容易地被欠发达国家的小农采用，就像21世纪下半叶绿色革命中的新品种一样。gydF4y2Ba

由于各种社会经济障碍，如缺乏激励、财政资产和知识不足、政策限制，甚至社会动态和文化关切，许多国家尚未广泛采取非点源污染的缓解措施gydF4y2Ba^{17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba}．农民必须投入资金、劳动力、知识和其他基本投入来实现这些改变，除非有其他驱动因素，如具有激励或惩罚措施的农业政策或影响农民收养的其他社会因素(如年龄、性别和教育)gydF4y2Ba^{3 gydF4y2Ba}．改变农民的做法并不容易，特别是对大量小农来说，即使有强有力的证据表明改变做法会带来经济收益gydF4y2Ba^18gydF4y2Ba．这主要是因为小农的农业收入比(农业收入除以总收入)低gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba．小农通常在非农部门从事兼职工作，相对较高的非农收入意味着采取减排措施的机会成本更高，因为这需要农民额外的劳动力投入gydF4y2Ba^21gydF4y2Ba．虽然我们的成本效益分析显示了采取这些措施的潜在社会效益，但如何通过政策来支持这些措施的实施，以取得若干胜利，这是一个悬而未决的研究问题gydF4y2Ba^{19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba22gydF4y2Ba}．政策可以通过各种机制促进执行，例如通过污染成本内部化恢复价格信号gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba通过提供金融资本和知识转让推广服务，支持小农收养gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba或强化非市场社会调节因素gydF4y2Ba^24gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

一种建议的政策方法，包括污染成本的内部化和提供金融资本的途径，是一个NCS，它从整个社会中受益于NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba减排和食品供应gydF4y2Ba^{3 gydF4y2Ba}．然后，这些财政预算可以用来补贴那些实施最佳管理措施以减少污染和提高产量的农民。如果能够确定实施成本和效益的明确界限，这种国家、省或地方范围内都可以适用这种国家、省或地方范围。例如，如果流域上游更好的管理措施可以使下游居民的水质受益，那么NCS应该应用于整个流域尺度gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba．对于难以确定措施影响范围的地区，可以使用更大的规模来收集财政预算，以支付实施成本。NCS的实施将使农民能够考虑社会效益，并动员农民同时追求产量和社会效益。NCS对农民补贴的财政预算下限是在一定边界内各项措施的净实施成本(包括培训等过渡成本和农民非农收入等机会成本)，上限是减少N的总社会效益(不包括产量效益)gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba的损失。在全球范围内，氮素减排的总社会效益往往超过成本约15倍;一个地区合理的NCS财政预算应介于实施成本和社会总效益之间gydF4y2Ba^{3 gydF4y2Ba}(无花果。gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba)．事实上，许多国家普遍使用农业补贴来维持农业盈利能力，这间接地有利于粮食安全和环境，而NCS可被视为更好地将全社会的成本和效益联系起来的强化方法gydF4y2Ba^26gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在高收入国家，由于现有的资本资产和有效的金融市场，更容易获得金融资源，环境污染也可以通过对氮盈余征税的方式内部化。这种方法符合污染者付费原则，可以避免反弹效应(效率的提高被产量的增加所抵消)，并为创新提供激励gydF4y2Ba^{23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba}．根据这种方法，最有效的措施不需要由科学预先选择，而是可以由私营部门制定，成功的私营部门可以获得较低的税收奖励gydF4y2Ba^28gydF4y2Ba．此外，税收收入可以用来推动其他政策目标或平衡不利的分配影响。gydF4y2Ba

加快更好的氮管理的另一种方法是引入多行为体政策计划，将成本和收益的承担者聚集在一起。荷兰的农业环境-气候计划就是一个例子gydF4y2Ba^29gydF4y2Ba该组织向包括农民和民间社会行动者在内的地方协会招标集体合同。这种方法可以通过社会学习创造更具创新性和包容性的解决方案。无论如何，我们的研究表明，社会从改进的农业氮管理政策解决方案中获益的潜力很大，但尚未开发。还需要更多的工具来超越对财务因素的考虑。例如，与生物多样性保护等其他手段或政策相结合，也可能有助于实现措施的实施，特别是考虑到改善氮素管理的社会效益好坏参半gydF4y2Ba^30.gydF4y2Ba．减少氮污染是粮食系统可持续转型的重要组成部分。除了减轻氮污染，这种转变还需要与其他社会目标相结合，如减缓气候变化、保护生物多样性和更广泛的可持续发展目标。gydF4y2Ba

数据收集和汇编缓解措施gydF4y2Ba

我们从Web of Science网站上检索了2000年以后的同行评议出版物。对于2000年以前制定的管理战略，我们只纳入了目前仍在采用的管理战略。这使我们能够集中精力研究实施近几十年来所实施的各项措施的可行性。搜索的关键词包括“氮或面源污染”、“缓解或减少”和“农田或农田”。本文侧重于农场管理实践，但不包括减少氮污染的上游方法，如饮食改变，或减少农场以外的浪费，如饲养场的粪便管理。符合以下所有标准的研究被纳入研究:(1)报告了对照组和处理组的目标途径N损失、产量或NUE的样本均值;(2)给出了实验地点、设计和条件的详细信息，以便对重复出版物进行交叉检查;(3)只包括现场实验。gydF4y2Ba

我们在分析中共纳入了1521个现场观测数据。我们确定并总结了11组措施，详见补充资料gydF4y2Ba1.1gydF4y2Ba．处理组(及类别)和不同管理措施的对照为:(1)将施用脲酶抑制剂、硝化抑制剂、双重抑制剂(脲酶和硝化抑制剂)和包膜或控释肥料与不施用抑制剂或包膜肥料(对照)进行比较;(2)有机肥料(生物炭、粪肥和作物残余物)与正常施肥(对照)进行比较;(3)在轮作的整个周期内，将豆科植物与非豆科植物(对照)进行比较;(4)在同一研究场地上，将有缓冲带的湿地或池塘与没有缓冲带的湿地或池塘进行对比(对照);(5)优化施氮量时，以试验中施氮量最高的为对照，其他施氮量折算为相对于对照的百分比减量(<25%、25-49%、50-74%和≥75%);(6)肥料类型方面，以尿素为对照，非尿素处理分为铵基或硝酸盐基肥料、粪肥和堆肥;(7)在施肥时间上，与单次施肥(对照)进行对比;(8)施肥部位，以尿素和肥料为重点，深施与表面撒施或追肥(对照)进行比较;(9)对氮肥利用效率高的作物品种与氮肥利用效率低的作物品种(对照)进行比较; (10) no-tillage was compared with conventional tillage (control); and (11) drip irrigation or optimal irrigation was compared with normal irrigation (control). All data were extracted from text or tables directly or figures using WebPlotDigitizer 4.2. The full set of publications and outcomes for each is detailed in the Supplementary Information meta-analysis documentation.

缓解措施的元分析gydF4y2Ba

响应比的自然对数(gydF4y2Ba\ (r ={\酒吧{x}} _ {{\ rm {t}}} /{\酒吧{x}} _ {{\ rm {c}}} \)gydF4y2Ba，其中gydF4y2Ba酒吧\ ({\ {x}} _ {{\ rm {t}}} \)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba酒吧\ ({\ {x}} _ {{\ rm {c}}} \)gydF4y2Ba分别为处理组和对照组的平均值)作为分析处理对NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba各种途径的损失(NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba},没有gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba和NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO排放、N径流到地表水和N淋滤到地下水)、产量和NUE。结果报告为治疗效果下的百分比变化((gydF4y2BargydF4y2Ba−1)× 100)。百分比的负变化表明由于管理实践变量减少，而百分比的正变化表明变量增加。我们遵循一个常用的随机抽样程序gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba并通过自举生成平均效应大小和95%置信区间(4999次迭代)gydF4y2Ba^32gydF4y2Ba使用软件MetaWin 2.1(参考。gydF4y2Ba^33gydF4y2Ba)．在以前的荟萃分析中，报告的效应量由汇总方差的倒数加权gydF4y2Ba^34gydF4y2Ba、复制gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba或未加权的gydF4y2Ba^36gydF4y2Ba．我们数据库中的研究并不总是包括已发表的方差或重复，因此采用未加权的方法gydF4y2Ba^36gydF4y2Ba在我们的分析中被采用。管理实践对NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba如果置信区间不与零重叠，则损失、收益率和NUE被认为是重大的gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

影响的变化可能是由于当地自然条件的变化，如土壤和气候。这些局地条件不仅影响缓解措施的效果，而且影响局地氮素循环。然而，鉴于各国措施对N周期的影响相对一致(补充图;gydF4y2Ba4gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba17gydF4y2Ba及补充表gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)，图中主要N损失途径的响应比和缓解措施效果显著。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，我们没有根据国家对效应量进行分类。因此，我们利用元分析中每种措施的缓解潜力，修改N个预算模型中的N个循环参数，从而将元分析结果与国家预算模型联系起来。虽然在每个国家，按百分比变化计算的每种措施的平均缓解潜力被认为是相同的，但最终缓解潜力是不同的，因为N的投入不同，而且由于当地最适当的一套做法的异质性，各国对措施的执行情况也有所不同。对于不同作物种类的措施效果的差异，我们是否可以预期，相对于豆科植物，最大的影响应该来自非豆科植物，豆科植物固定了大气中的氮。因此，我们在图中的元分析中将豆类从其他作物中分离出来。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．在小麦-玉米轮作等多种作物指数的地区，由于相互作用，很难确定每种作物类型的缓解效果。因此，我们没有考虑其他作物品种对农田氮素利用和损失的影响。更多细节可以在以下部分中找到。gydF4y2Ba

缓解措施的等级分类gydF4y2Ba

我们开发了一个分层分类方案，以分组类似的措施，更好地便于分析，说明在补充图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．分类标准主要集中在缓解效果、技术门槛、农户接受度和实施成本四个方面。因此，每个测量被分配到补充表中列出的三个层之一gydF4y2Ba1gydF4y2Ba根据专家的判断。这三个层的定义如下。gydF4y2Ba

第一级措施gydF4y2Ba

技术门槛低、缓解效果高、实施成本低、农民接受度高的措施。这包括使用EEFs、土壤改良剂和在农田中增加豆类种植。缓冲带的使用也被划分在第1层。虽然这一措施不需要复杂的技术，适用于较发达和较不发达国家，但它占用了边际耕地，可能威胁到粮食安全，降低了其在土地稀缺国家的适用性(见补充表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．EEFs的使用是典型的第1层度量。政府可以补贴EEFs，使其价格与传统肥料相同或更低，农民更愿意使用这些新的EEFs，因为他们可以在相同或更低的投入下获得更多收入gydF4y2Ba^37gydF4y2Ba．监管、升级和行业内的适当竞争也有可能大幅降低EEF价格。类似的层也可以应用于修正和豆科轮作。第1层可应用于全球所有地区，无论农场规模或农民的知识水平如何(补充表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

第二级措施gydF4y2Ba

技术门槛中等、实施成本中等、农户接受程度中等的措施，需要政策支持推动应用。这里的措施仅限于使用正确的施肥量、正确的类型、正确的位置和正确的时间，即4R营养管理。与第一级措施相比，农民更难采取其他级别的措施(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．实施4R措施需要农场额外投入，如知识交流、劳动力和机械gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba．知识需要长期的培训，考虑到固定投入的规模效应，包括知识、机械和其他固定资产，这对大规模农户比小农更有吸引力。农场规模越大，单位耕地面积的固定投入就越低gydF4y2Ba^38gydF4y2Ba．对小农来说，投资于非农活动往往更有吸引力，而不是将时间和财政资源投入到改进农业实践中，他们可以在其中实现更高的回报gydF4y2Ba^39gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

第三层措施gydF4y2Ba

技术门槛高、植入成本高、与其他目标(粮食安全、土地利用、城镇化、土地利用)相权衡、农民接受度低的措施，需要强有力的政策干预和社会支持来推动实施。措施包括增加采用高产潜力的新品种，改进灌溉和免耕。这种基于层次的分类可能与Bittman等人定义的联合国欧洲经济委员会(UNECE)类别1-3形成对比。gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba，其重点是证明每项措施的建议的证据基础的稳健性。例如，免耕是一种保护性耕作措施，可以减少土壤的压实，减少径流造成的水分损失，防止土壤侵蚀。虽然不耕作仅仅意味着不耕作，但保护性农业系统需要采用几个组成部分，以保证与传统耕作系统相同或更高的产量和更好的环境性能。适当地种植免耕作物需要一定程度的经验，而作物种植不良可能是由于生物物理因素以及研究人员缺乏适当的设备、土壤条件、播种技术等知识造成的。gydF4y2Ba

耕地N预算gydF4y2Ba

陈氏的gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba,喜鹊gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba和图像gydF4y2Ba^13gydF4y2Ba利用模型估算了全球耕地氮预算。这些模型的详细信息可以在补充信息中找到gydF4y2Ba1．2gydF4y2Ba．建立2015年国家/地区农田氮素预算，以确定当前农田氮素投入、产出和氮素利用效率。N个输入(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{输入,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})对农田的影响包括五种元素，即氮肥投入(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{拿来,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})、肥料N的输入量(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{男人。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})、生物固氮(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{修复,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})、大气氮沉降(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{环保局,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})及灌溉(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{irr,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})．农田的氮素产量可分为四个要素，即作物收获量(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{收获,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})、氮气体排放量(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{气体,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba}，包括NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba}NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba啊,没有gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba和NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)， N浸出(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{浸出,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})和氮径流(gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{径流,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})．基于CHANS的综合模型结果gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba,喜鹊gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba和图像gydF4y2Ba^13gydF4y2Ba，我们确定了不同国家/地区不同形式氮素损失的份额。然后是区域NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba排放分数，指的是包括淋滤和径流在内的所有氮损失，被嵌入到CHANS模型中，在该模型的各种情景下进行进一步的缓解评估(见补充图)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

农田氮素利用率定义为作物收获氮素与农田总氮素投入的比值。目标收获N (gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{目标丰收,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})和NUE (NUEgydF4y2Ba_{目标,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})，它被假定为代表当前最佳技术和管理实践实施的合理指数。确定区域特定目标NUEgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba2050年的数据是基于Zhang等人的。gydF4y2Ba^{14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba}以及考虑产量潜力和环境边界的研究gydF4y2Ba^{42gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba}．这两个关键指标使我们能够计算人为N输入的过度使用(ΔgydF4y2BaNgydF4y2Ba_{输入,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba})，根据不同国家和地区的目标收获N(目标NUE)，将其划分为农田gydF4y2Ba我gydF4y2Ba以下公式(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba) - (gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

氮肥施用的减量潜力gydF4y2Ba

全球和区域减肥潜力的估计是基于当前和最佳化肥使用之间的差异，并结合最佳农田氮素管理实践。gydF4y2Ba

在这gydF4y2BakgydF4y2Ba表示几个选项组合的最合适的集合;我们假设gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{修复,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}而且gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{irr,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}改变一点。加强对农田的肥料循环利用(ΔgydF4y2BaNgydF4y2Ba_{男人。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})，这有助于减少化肥的投入(ΔgydF4y2BaNgydF4y2Ba_{拿来,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})，已纳入未来的农地预算估算。农田氮肥投入基线数据来源于联合国粮食及农业组织(FAO)。gydF4y2Ba^44gydF4y2Ba．不同的未来估计是通过将粪肥循环比率调整为尊重区域特定农田最大承载能力和粪肥生产潜力的值而得出的。N沉降的变化(ΔgydF4y2BaNgydF4y2Ba_{环保局,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})对耕地的影响与氮素的减少成正比gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba发射。gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{拿来gydF4y2Ba}不能是负的和任何ΔgydF4y2BaNgydF4y2Ba_{拿来gydF4y2Ba}>gydF4y2BaNgydF4y2Ba_{拿来gydF4y2Ba}被设为0。gydF4y2Ba

农田NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba缓解潜在的gydF4y2Ba

为了整合全球元分析的结果，首先使用参数化(用于NUE、产量和排放)将结果整合到三个N预算模型(CHANS、MAgPIE和IMAGE)中。实施这些确定的措施可以改变不同氮素利用和损失的比例。N的计算gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba缓解潜力是基于从元分析中获得的不同国家的选定缓解方案的缓解效率，以及与氮素预算模型相结合的农田氮素质量平衡。各措施影响下氮素损失的百分比变化假定在全球一级是相等的，但由于各国氮素通量不同，氮素损失的绝对变化也相应不同。然后，综合N预算模型的区域应用使结果能够与国家一级的预算进行评估。在情景分析过程中，尊重区域农田氮素缓解边界。详细的集成过程可以在补充信息中找到gydF4y2Ba1.3gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

减少农田氮素损失(ΔgydF4y2BaEgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})的形式为NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba},没有gydF4y2Ba_xgydF4y2BaNgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba国家/地区O、N淋溶和N径流gydF4y2Ba我gydF4y2Ba计算公式为:gydF4y2Ba

在这gydF4y2BajgydF4y2Ba为N损失形式(NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba},没有gydF4y2Ba_xgydF4y2BaNgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba农田的O排放、N淋滤和/或N径流);gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}是农田活动数据(化肥使用量、种植面积或产量);英孚gydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba}为对应的不受控排放因子，其中不受控是指基线模型;gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}是具体的减排功效;gydF4y2BaXgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}减排技术或选择的执行率是多少gydF4y2BakgydF4y2Ba，基线为零，即没有实施减排措施。gydF4y2Ba

此外，在结合不同措施时，每个国家的目标NUE和产量被用来限制总体缓解潜力，因为我们不需要应用所有这些措施来实现目标NUE。对于不相互作用的措施，增加了缓解潜力(累积影响)。对于相互作用的措施，我们采用了结合这些措施的实验结果，以估计其综合缓解潜力(补充图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

成本效益分析gydF4y2Ba

根据N的变化gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba采用国家氮素预算数据进行成本效益计算。本研究将全球农田氮素污染缓解成本定义为实施11项减少全球农田氮素损失措施的直接支出(投资成本和运营成本之和)。这里我们主要参考了在线温室气体和空气污染相互作用与协同(gain)模型的成本评估数据库和方法gydF4y2Ba^45gydF4y2Ba计算全球和区域减排成本。在gain模型中考虑了具体国家的农业条件和耕作方法，包括当地劳动力成本、能源价格、农场规模、副产品成本等。在本研究中，所有成本均为不变的2017美元。关于gain模型和成本计算的详细描述可以在Klimont和winiwater中找到gydF4y2Ba^45gydF4y2Ba．年度实施成本(ICgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})在国家/地区gydF4y2Ba我gydF4y2Ba和N项gydF4y2BakgydF4y2Ba计算公式为:gydF4y2Ba

其中UCgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}表示国家/区域减少农田氮素损失的最适当缓解方案的综合单位缓解成本gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，该模型源自在线gain模型数据库，并根据各国具体的耕作方式进行调整;ΔgydF4y2BaEgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}N排放是否以NH等不同形式变化gydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba}和NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO，由式(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

社会效益(SOCgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})定义为空气污染导致过早死亡的可避免损害成本(HHgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})、生态系统健康(EHgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})，产量效益(YDgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})和温室气体减排效益(GHG .gydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})，如式(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

美国和欧盟的一些研究考察了氮的损害成本gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba对生态系统的影响gydF4y2Ba^{46gydF4y2Ba，gydF4y2Ba47gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba，gydF4y2Ba52gydF4y2Ba，gydF4y2Ba53gydF4y2Ba}．目前，我们没有世界上其他国家的成本和收益数据。因此，我们假设单位NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba损坏费用(补充数据gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在Excel文件中)适用于欧盟和美国的生态系统，在修正了生态系统服务支付意愿(WTP)的差异后，也适用于其他国家，以评估不同地区与n相关的管理行动相关的效益和权衡，如式(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

其中∂gydF4y2Ba_{我们gydF4y2Ba}N的单位生态系统破坏成本是多少gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba在2000年代美国的排放量gydF4y2Ba^{49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba}；WTPgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba和WTPgydF4y2Ba_{我们gydF4y2Ba}WTP在我国生态系统服务中的价值是什么gydF4y2Ba我gydF4y2Ba和美国;PGDPgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba和PGDPgydF4y2Ba_{我们gydF4y2Ba}代表一个国家的人均国内生产总值(2017年不变美元)gydF4y2Ba我gydF4y2Ba和美国。转化性损害的福利含义以WTP为基础;WTP的数据来源见补充数据gydF4y2Ba2gydF4y2Ba在Excel文件中。gydF4y2Ba

健康益处(HHgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})指PM带来的可预防死亡率的好处gydF4y2Ba_2.5gydF4y2Ba耕地氮对缓解气候变化的影响gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba减轻gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba．我们得出了N .的全国特定单位健康损害成本gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba从Gu等人的方法发射。gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba，将每单位NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba排放与人口密度、人均国内生产总值、城市化程度和氮含量的关系。农田氮素管理的健康效益计算公式(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

其中ΔgydF4y2BaEgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba}估计的耕地减少量是NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba排放和成本gydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba}表示N的单位生命值伤害成本gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba排放(数值可在补充数据中找到gydF4y2Ba2gydF4y2BaExcel文件)。gydF4y2Ba

产量效益(YDgydF4y2Ba_{的好处,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba})表示作物增产带来的额外经济效益，如式(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

其中ΔgydF4y2BaHνgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}农田总收获氮和YP的变化是什么gydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BakgydF4y2Ba}为基于FAOSTAT数据库计算的综合作物价格，单位为美元/ kg N。国家具体数值见补充数据gydF4y2Ba2gydF4y2Ba在Excel文件中。gydF4y2Ba

对于气候影响的货币评价，我们使用了区域加权NgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba破坏代价乘以N的减少gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba发射，由式(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

其中CCostgydF4y2Ba_{我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba}为单位气候减排成本，单位为美元/ kg N(数值可参阅补充数据gydF4y2Ba2gydF4y2BaExcel文件)。我们考虑了NgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO导致全球变暖，而NOgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba和NHgydF4y2Ba_{3 gydF4y2Ba}排放对全球气候有降温作用gydF4y2Ba^54gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

分层方法下的未来场景设置gydF4y2Ba

“一切如旧”情景是一个基线情景，假定维持目前的耕作方式，不进一步改善农田氮素管理。另外三个场景分配了三个不同的测量包(扩展数据表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．分级措施的分类标准主要集中在缓解效果、技术门槛、农户接受度和实施成本四个方面。gydF4y2Ba

激励实施是复杂的，这也是为什么过去几十年制定的许多措施仍然没有在许多地区/国家得到实施的原因。一个例子是利用土壤测试来合理施用氮肥和土壤管理。在确定缓解效果后，当地的社会经济和自然条件通常决定这些措施是否应该和能够实施。例如，如果政府对这些肥料进行补贴，使其价格与传统肥料相同甚至更低，那么中国小农应该可以接受EEFs。然而，考虑到实施所需的知识转移和机器，4R营养管理在中国和其他地方的小农身上并不容易应用。因此，我们假设不同国家可以根据其社会经济和自然条件采取不同的措施，这是我们分层方法的关键标准。gydF4y2Ba

一般来说，不同的等级适用于不同的地区和国家。我们以目标NUE作为最终标准来评估我们是否需要实施更多的措施来实现目标。不同国家不同措施的实施比例是根据各国的社会经济和自然条件估算的。例如，一些国家报告说，由于资金支持不足，它们的环境影响基金执行率很低。然后我们将判断NCS是否可以为目标NUE支持这样的实现。在非洲国家，缺乏氮肥已导致土壤氮素耗竭和产量下降。因此，除了缓解措施外，我们建议这些国家更多地使用化肥。这将在行星边界允许的载氮能力范围内略微增加氮的损失。gydF4y2Ba

对于每一项措施，我们根据各国的农田氮预算、作物产量、农场规模和管理实践，估计了不同的采用率和缓解效率，总结在补充表中gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．人口(人口密度)和经济水平(人均国内生产总值)是未来粮食需求和所需氮的两个关键决定因素gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba从农田收获，假设在所有分层情景下是一致的。假设采取措施将改变农田氮素输入、氮素利用效率、作物产量和种植面积，以维持所需氮素gydF4y2Ba_rgydF4y2Ba收获供人类食用。数据来源、预测方法及参数详见补充资料gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

报告总结gydF4y2Ba

有关研究设计的进一步资料，请参阅gydF4y2Ba自然组合报告摘要gydF4y2Ba链接到这篇文章。gydF4y2Ba