氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

　　Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

　　专 辑 文 章 介 绍

　　· 第四篇 · 

　　▎论文ID

　　Sustainable Nitrogen Management Index (SNMI): definition, global assessment, and potential improvements

　　可持续性氮管理指数（SNMI）：定义、全球评估和潜在改进

　　发表年份：2022年

　　第一作者：Xin Zhang

　　通讯作者：Xin Zhang 

　　邮箱：xin.zhang@umces.edu

　　作者单位：马里兰大学环境科学中心。

　　Cite this article :  

　　Xin ZHANG, Yanyu WANG, Lena SCHULTE−UEBBING, Wim DE VRIES, Tan ZOU, Eric A. DAVIDSON. SUSTAINABLE NITROGEN MANAGEMENT INDEX: DEFINITION, GLOBAL ASSESSMENT AND POTENTIAL IMPROVEMENTS. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 356‒365 https://doi.org/10.15302/J−FASE−2022458

　　· 文 章 摘 要 · 

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　　可持续性氮管理指数（SNMI，Sustainable nitrogen management index）综合了作物产量和氮利用效率（NUE，Nitrogen use efficiency）的表现，兼顾粮食生产和环境保护需求。各国SNMI结果表明，在过去40年中，作物氮素管理的整体可持续性有所改变，但该改善主要通过作物产量提高实现，而全球NUE仅略有提高。不同国家之间SNMI值变化较大，且自20世纪70年代以来，差异逐渐增加，表明世界各国在改善氮管理方面取得了不同程度的成功或是失败。在SNMI标准评估中，将1.0和90 kg·ha⁻¹·yr⁻¹N作为NUE和产量的参考值。敏感性测试中，用0.8或0.9代替NUE参考值1.0，中东大部分国家和法国SNMI值下降（表现更好），但许多欧洲和拉丁美洲国家SNMI值增加。该指数可通过设定区域特定产量目标和作物潜在产量高质量数据加以改善。SNMI提供了一种简单明了的方法，用单一指标评估各国在可持续氮管理方面的进展。

　　· 文 章 亮 点 · 

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　　1. 提出一个衡量农业可持续性的综合氮素管理指数。

　　2. 氮素管理已向可持续性目标发展。

　　3. 作物氮素管理改善主要是通过产量增加实现的，而NUE保持稳定。

　　4. 没有国家同时实现产量和NUE目标，且不同国家之间变异较大。

　　5. 区域特定产量目标可以用来支撑标准SNMI。

　　· Graphical abstract · 

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　　· 研 究 内 容 · 

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　　▎引言

　　人类活动导致活性氮迅速增加，引起了严重的环境问题，威胁着生态系统和人体健康。有效管理农业生产中的氮（N，Nitrogen），从而提高氮利用效率（NUE），对于将人类对氮循环的干扰恢复到安全的操作空间、平衡粮食安全和环境目标、实现可持续发展目标至关重要。目前联合国大会采用的全球可持续发展目标指标框架中，没有指标直接评估氮管理或氮污染，“肥料管理”虽与农业氮管理直接相关，但其只以减少污染风险的管理措施数量为考量，而没有同时考虑增产和减排。除联合国外，越来越多的国家和组织正在制定指标清单，以评估各国实现可持续发展目标的进展或对环境的影响，但很少包括农业氮素管理绩效的衡量指标。虽然有少数氮指标用于指导农场氮管理、区域环境和农业政策，但无法直接在更复杂的可持续发展目标指标框架中应用这些指标。氮素管理的挑战在于以低氮素损失生产足够的粮食，这意味着需在高氮素利用效率下获得较高的作物产量。为体现可持续发展目标指标框架下氮素管理的可持续性，包括粮食生产和环境保护的需要，我们提出可持续氮素管理指数（SNMI）。文章首次报告了其原理和全球规模化应用指数参数化的方法，评估了世界各国SNMI的趋势和空间变化。最后，讨论了其优势和局限性，并指出未来的改进方向。

　　▎可持续氮管理指数：原理和参数化

　　SNMI在一维排名得分中同时考虑了NUE和土地利用率（作物产量）。更具体地说，SNMI用几何学计算一个国家在标准化NUE（NUE^*）和标准化产量（NYield^*，Normalized yield）的位置与二维图（图1）中参考点的距离。NUE^*为NUE除以参考NUE（NUEref=1）。当一个国家的氮用量投入很低时，使NUE>2时，NUE^*为0。标准化产量被定义为作物产量除以参考产量（NYieldref=90 kg·ha⁻¹）。产量和NUE接近目标时，可持续管理指数SNMI接近0。标准化的NUE和产量保持在同一个范围内（0−1），这样由于不同的值范围，综合的SNMI不太可能偏向于NUE或产量。随着获得越来越多的数据，SNMI可以通过在多维空间中纳入更多的作物生产效率而不断改善。SNMI的数学定义为NUE和产量距离理想点的欧式距离，公式如下（以图1位例）：

　　图1 基于标准化产量（NYield^*）和标准化NUE（NUE^*）计算SNMI的图形表示。蓝色星号对应的是NUE和产量的参考点（目标值）；蓝圈代表一个国家的标准化NUE和氮产量水平分别为NUE*和NYield^*的例子。基于SNMI排名方法，右上角的低值（浅黄色阴影）分数最高、排名最高。

　　基于该方法，利用粮农组织土壤养分预算数据库中的国家级氮素产量和NUE计算了SNMI。为说明该原理，评估当前SNMI值的全球规模趋势和国家变化，采用90 kg·ha⁻¹·yr⁻¹N（在不扩大耕地的情况下实现2050年作物生产目标所需的全球平均氮产量）作为参考产量。对于在国家及以下各级区域应用SNMI，参考产量可以根据国家或地区的目标产量进行调整。不管选择的参考产量是多少，使用SNMI排名方法，同时获得高产量高NUE的国家排名最高。

　　▎研究结果

　　全球平均SNMI值从1961年的0.91降低到2018年的0.68，说明氮管理朝着可持续性目标发展，提高了作物产量和NUE。然而，SNMI的改善主要是通过作物产量翻倍实现的，全球NUE在过去40年仅从0.39提高到0.45（图2a）。

　　图2 （a） 全球NUE、产量（kg·ha⁻¹N）和SNMI的历史记录；（b）1961−2018年世界各国国家级SNMI的十年平均值分布变化。每条彩色曲线为一年国家级SNMI值的正态密度曲线。SNMI值接近0表明在改善氮可持续利用方面取得了进展。

　　1961−2018年，由于平均SNMI值下降（1961−1970年：0.99；2011−2018年：0.88），各国SNMI值出现明显的左移趋势（图2b）。然而，各国之间氮素管理水平的整体提高伴随着更大的标准差（1961−1970年：0.19；2011−2018年：0.25），即SNMI值分布更广泛（图2b）。鉴于全球氮素管理总体改善与国家间差距扩大的不一致性，应深入分析当前国家间SNMI的空间变化格局和驱动因素。

　　各个国家的SNMI值（2014−2018年的平均值）在0.28−1.40之间。没有国家同时实现产量和NUE目标，达到理想SNMI值（0）。8个国家达到了参考产量水平，但其NUE水平在0.01−7.95范围内，其中一些国家仍需要显著提高。相反，由于作物生产中输入的氮素经常被转化为N2或以其他活性氮形式损失进入到空气或水体中，所以只有极少数国家达到了参考NUE水平。

　　中国和印度的SNMI值在五大作物生产国中是最差的，说明这两个国家需要改善氮素管理（图3a）。和印度相比，中国SNMI得分较高，是因为中国的NUE较低，而印度NUE和产量均处于较低水平（图3b）。为改善SNMI，中国需专注于提高NUE，印度需更有效地管理氮素投入，使作物产量翻倍。因此，两国均需开发和推广更有效的氮素管理技术和实践方案，改善社会经济条件使作物高效利用氮素，以实现SNMI改善。

　　图3 2014−2018年间氮素生产水平（a）、NUE*和NYield^*（b）背景下，全球各国SNMI概况。a展示了每个国家在全球作物生产中的相对重要性及其氮管理的可持续性水平。x轴的宽度代表所有国家的累积收获氮（Tg·yr⁻¹ N）按降序排列，y轴的高度由各国五年平均SNMI值的决定，反映了各国氮管理的可持续性水平。浅灰色区域覆盖了氮收获量前五的国家。b中x轴表施各国的标准化产量，y轴表示标准化NUE。

　　2009年至2018年，199个国家中有53个国家的SNMI呈显著下降趋势（即可持续性氮素管理改善），21个国家的SNMI呈上升趋势（即可持续性氮素管理恶化）。SNMI的变化来自于NUE或产量的单方面改变或是两者均发生变化。2009年至2018年中SNMI未发生变化的125个国家中，可能是NUE和氮产量均发生了变化，其中氮产量增加对SNMI的影响被NUE的同时下降所抵消（反之亦然）。

　　▎讨论

　　SNMI的优势在于既能提高氮对作物生产的“效益”，又能降低环境氮损失的“成本”。然而，由于SNMI是一个综合指标，一些国家可能因为不同的原因得到相同的分数。因此，对各国SNMI得分进行比较时需要将一维SNMI得分分解成单独的产量得分和NUE得分。尽管如此，在评估各国在实现可持续性氮管理进展时，将SNMI作为一个指标仍是有用的。

　　在最有利的环境下，最大的NUE估计为0.9，由于气候和土壤条件不同，最大NUE存在空间差异。根据作物施肥试验数据，可对获得的最大NUE的空间变化进行评估。虽然最大可行NUE的量化超出了本文的研究范围，但本研究用灵敏度测试说明了不同NUE参考值的选择对SNMI值的影响。

　　将NUE参考值设置为0.8或0.9（低于1）时，NUE^*值增加，SNMI值降低（图4）。然而，由于大部分国家的NUE远低于参考NUE（0.8⁻¹），利用不同参考NUE计算的SNMI值之间具有较强相关性，因此参考NUE的选择对大多数国家SNMI排名影响不大。随着各国设法提高NUE并接近0.8，参考NUE的选择对SNMI评估将变得更加重要。

　　图4 使用不同的参考NUE值标准化NUE，比较最近十年国家层面的SNMI得分。x轴表示NUE目标=1.0计算得到的SNMI值，y轴表示NUE目标为0.8（a: r = 0.98, p<0.001）和0.9（b: r> 0.99, p<0.001）计算得到的SNMI值。虚线为1:1线。

　　全球评估所用的参考产量是根据2050年全球作物生产需求确定，强调假设所有现有耕地都负有生产蛋白质和防止耕地进一步扩大至自然栖息地的相似责任。这一假设没有考虑到国家和地区之间由于不同的环境和土壤条件及不同作物类型导致的产量潜力差异。

　　因此，除报告基于通用产量目标的SNMI值外，应同时报告基于国家或地区特定产量目标的SNMI。一个国家或地区的目标产量可根据产量潜力确定。计算基于耕地可获得的预计产量目标的SNMI，以了解采用不同的参考产量的潜在影响。对每个国家而言，我们计算了16种作物当前和可获得的作物总和产量，得出可实现产量和当前产量的比例。

　　利用特定国家目标产量计算所得的SNMI值和利用通用目标产量得到的SNMI值显著相关，但许多点低于1:1线，表明使用特定国家产量目标会降低这些国家的参考产量，从而降低其SNMI值（图5）。同时，以产量潜力为基础的目标产量高于90 kg·ha⁻¹·yr⁻¹N 时，采用特定国家的目标产量可增加SNMI得分。因此，使用国家特定目标产量将导致一些高和低的SNMI值向更适中的值移动。

　　图5 使用不同的参考值来标准化产量，比较最近十年国家水平的SNMI得分。x轴表示用通用参考产量（90 kg·ha−1·yr−1 N ）计算的SNMI得分，y轴表示用各国特定产量目标计算的SNMI得分。

　　由于用可实现的估算产量代替产量潜力的可靠性有限，采用国家特定产量目标计算SNMI得分受到阻碍。对于特定作物，可以用全球产量差距图集（GYGA，Global yield gap atlas）等项目的结果来替代。然而，基于GYGA估算的产量潜力目前仅适用于选定的国家和作物，而且在考虑到不同作物和灌溉方案的情况下，尚未就如何确定一个地区的最佳产量潜力达成共识。虽然将通用产量目标改为国家/地区特定目标可能会改变各国SNMI值排名，但其对时间上的变化趋势影响较小。

　　▎结论

　　过去40年全球作物氮素管理的可持续性有所改善，尽管NUE略有提高，但这种改善主要是通过作物产量的增加而实现。各国间的SNMI值差异较大，而且在过去40年中该差异有所增加。若不以通用的NUE和产量计算SNMI，而是通过考虑作物生产的特异性和社会经济条件来定义区域特定的NUE和产量参考值，将会使SNMI得到进一步改善。随着产量潜力、地区差异的精细化数据越来越多，SNMI值的地区相关性也会越来越强。未来，SNMI还可能应用于田块和区域尺度，并涵盖作物生产中更有效的条件。

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