摘要gydF4y2Ba
农业氮素的过量使用导致了全球性的环境问题gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在某种程度上，有人认为已经超过了安全的行星边界gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．行星氮边界的早期估计gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba但是，没有考虑生态系统对氮污染和农业氮损失敏感性的空间变异性。在这里，我们使用一个空间显式模型，从陆地和水生生态系统的富营养化阈值和地下水中的硝酸盐建立农业氮盈余的区域边界。我们估算了农业氮素污染的区域边界，发现了农业氮素的过度使用和强化空间。就所有阈值而言，全球总盈余边界为每年4300万吨氮，比目前(2010年)的氮盈余(每年1.19亿吨氮)低64%。允许氮过剩增加，以缩小未超过环境阈值地区的产量差距，将全球氮边界提高到每年5700万吨。在不跨越区域和行星氮边界的情况下养活世界，需要大幅度提高氮的利用效率，同时减少污水等非农业氮源。这要求采取协调行动，认识到农业系统的异质性、非农业氮素损失和环境脆弱性。gydF4y2Ba
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参考文献gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
感谢L. Lassaletta和B. Bodirsky对手稿的改进建议。L.F.S.-U。感谢NWO(项目编号022.003.009)的资助，由SENSE研究学院发起的一个项目提供。wd.v、afb和a.h.w.b感谢联合国环境规划署(UNEP)的全球环境基金(GEF)通过“迈向国际氮管理系统”(INMS)项目提供的资金。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者和隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
所有作者对研究的概念和设计都有贡献，l.f.s.u。A.H.W.B.建立模型计算临界剩余和投入，A.H.W.B.提供输入数据进行计算，L.F.S.-U。做了所有的分析和数据，lfs - u。， A.F.B.和W.d.V.撰写了手稿。gydF4y2Ba
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者声明没有竞争利益。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢Benjamin Bodirsky, Carly Stevens和其他匿名审稿人对这项工作的同行评议做出的贡献。gydF4y2Ba同行评审报告gydF4y2Ba是可用的。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图和表gydF4y2Ba
扩展数据图1电流和临界N输入输出。gydF4y2Ba
全球当前(2010年)氮(N)投入(细分为肥料、生物固氮、粪肥和沉积)和氮输出(细分为氮吸收和氮过剩)以及与三个阈值相关的关键氮输入和输出(N沉积以限制陆地生物多样性丧失，向地表水负荷氮以限制富营养化，氮淋到地下水以满足饮用水标准)，以及所有阈值的综合。以年为单位转换输入和输出gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba以公顷为单位的平均费率gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba年gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，除以2.3。划分为耕地和集约管理的草地的结果见补充图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
扩展数据图2每次冲击超过临界氮余量。gydF4y2Ba
农地临界氮(N)过剩的空间变异与电流过剩的关系gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，所有阈值组合(对应图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba在正文中)，gydF4y2BabgydF4y2Ba，限制陆地生物多样性损失的临界沉积，gydF4y2BacgydF4y2Ba、限制富营养化对地表水的临界N负荷gydF4y2BadgydF4y2Ba，临界氮淋到地下水，以满足饮用水标准。正值表示为了避免超过环境阈值，农业氮素盈余需要减少多少。负值表示在不超过环境阈值的情况下，农业氮素盈余可以增加多少以允许更多的氮素投入来缩小产量差距。没有农业用地的网格单元格显示为灰色。耕地和集约管理草地的单独结果显示在补充图中。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
扩展数据图3电流和临界氮的损失和超过。gydF4y2Ba
空间变异gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，流到空气和水中的氮(N)损失，gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2BaN在空气和水中的临界损失gydF4y2BaggydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，超过电流的临界N损耗。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，电流总N (NOgydF4y2BaxgydF4y2Ba+ NHgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)排放,gydF4y2BabgydF4y2Ba、限制陆地生物多样性损失的临界氮排放，以及gydF4y2BacgydF4y2Ba，通过临界N排放超过电流。gydF4y2BadgydF4y2Ba所有来源(包括农业和其他来源)向地表水的当前总氮负荷，gydF4y2BaegydF4y2Ba与富营养化影响相关的地表水临界氮负荷gydF4y2BafgydF4y2Ba，由临界N负荷到地表水的电流超过。gydF4y2BaggydF4y2Ba，当前总氮淋到地下水，gydF4y2BahgydF4y2Ba，临界氮淋到地下水以满足饮用水标准，和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，临界氮淋到地下水的超过电流。没有农业用地的网格单元格显示为灰色。gydF4y2Ba
扩展数据图4每种冲击类型的阈值超过。gydF4y2Ba
超过三种氮(N)相关环境影响的阈值(限制陆地生物多样性丧失的临界沉积、限制富营养化的地表水的临界氮负荷和满足饮用水标准的地下水的临界氮淋失)gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba、耕地及gydF4y2BabgydF4y2Ba密集管理的草原。颜色表示超过了多少个阈值和哪些阈值:没有(白色)，一个阈值(品红、青色、黄色)，两个阈值(红色、蓝色、绿色)或三个阈值全部(黑色);每种颜色的冲击类型见图例。灰色=没有耕地/集中管理的草原地区。gydF4y2Ba
图5减少农业氮素损失的选择空间。gydF4y2Ba
仅通过减少农业氮(N)损失来尊重环境阈值的可能性(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)、耕地及(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)，集中管理的草地gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，所有阈值相加，gydF4y2BabgydF4y2Ba，限制陆地生物多样性损失的临界沉积，gydF4y2BacgydF4y2Ba，限制富营养化和地表水的临界氮负荷gydF4y2BadgydF4y2Ba，临界氮淋到地下水，以满足饮用水标准。绿色=未超过阈值(不需要减少N损失)的区域，紫色=超过阈值且减少农业N损失足以尊重阈值的区域，橙色=超过阈值且仅减少农业N损失不足以尊重阈值(仅非农业N损失超过阈值)的区域。柱状图显示了每一类农业用地的总比例。灰色=无耕地/集约管理的草原。gydF4y2Ba
扩展数据图6不同来源的临界和电流N损耗。gydF4y2Ba
当前(2010年)来自非农业来源的氮损失与总临界氮损失之比。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，废水的电流氮负荷与地表水的临界氮负荷(以避免富营养化影响)之比。gydF4y2BabgydF4y2Ba，来自侵蚀的流氮负荷(包括来自农田和自然土地)与表面水的临界氮负荷之比。gydF4y2BacgydF4y2Ba，来自异源有机质的流氮负荷与地表水总临界氮负荷之比。gydF4y2BadgydF4y2Ba，电流NO的比值gydF4y2BaxgydF4y2Ba排放和临界氮排放总量，以限制陆地生态系统的沉积和导致的生物多样性损失。比率> 1表明，单个来源的氮损失超过阈值，因此，即使在农业投入为零的情况下，也超过了地表水氮浓度或氮沉积的阈值。灰色=没有耕地。gydF4y2Ba
图7 N界区域作物生产潜力。gydF4y2Ba
在同时尊重所有三个氮相关阈值边界的情况下，可以获得的作物产量，用份额表示gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba、当前区域作物产量和gydF4y2BabgydF4y2Ba，用Eq估计均衡膳食下的最小区域作物需求量。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(见gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)和(i)当前N利用效率(NUE)和(ii)如果NUE在所有地方都提高到0.90。结果显示，假设非农业氮素损失恒定，并存在遗留效应(情景S1，见图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba）.gydF4y2Ba
扩展数据图8按临界N余分区域的电流超过。gydF4y2Ba
所有农业用地的临界氮盈余超过当前(2010年)氮盈余的总和达到IMAGE模型中所代表的26个世界区域的水平。百分比表示，平均而言，当前盈余需要减少多少(红色)，以遵守环境阈值，或可能增加多少(绿色)，以允许额外的N投入，以缩小产量差距，同时仍然遵守阈值gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，所有阈值相加，gydF4y2BabgydF4y2Ba，限制陆地生物多样性损失的临界沉积，gydF4y2BacgydF4y2Ba，限制富营养化和地表水的临界氮负荷gydF4y2BadgydF4y2Ba，临界氮淋到地下水，以满足饮用水标准。每个世界区域的当前和临界N盈余显示在扩展数据表中gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
图9建模方法示意图。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，反向计算临界N盈余和临界N输入的步骤示意图。gydF4y2BabgydF4y2Ba，用于农业氮素临界盈余和N投入反计算的IMAGE-GNM模型中N损失计算的简化示意图。方框表示不同的土地利用类型(1 =耕地，=集约管理的草地，3 =广泛管理的草地，4 =自然土地)。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
该文件包含补充方法、讨论、图1-6和表1-6。gydF4y2Ba
权利与权限gydF4y2Ba
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引用本文gydF4y2Ba
舒尔特-吕宾，l.f.，伯森，a.h.w.，鲍曼，A.F.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba农业氮污染从行星到区域边界。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba610gydF4y2Ba， 507-512(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05158-2gydF4y2Ba
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