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海南岛氮磷过量输入导致环境损失加剧，需平衡农业产量与生态安全。通过NUFER模型模拟发现1988-2020年N、P输入分别增长2.8倍和8.2倍，环境损失增加4倍和23.7倍，2020年超环境阈值2%-80%，2030年预计达40%-140%。虽然氮利用效率（NUE）提升至22%，但磷利用效率（PUE）降至18%，需通过减少N、P输入45%和37%实现环境安全，同时保障96%的产量目标。
董鹏博|阮云泽|杰拉德·H·罗斯|维姆·德弗里斯|奥内·奥内玛|张福锁|张颖
中国农业大学三亚学院，中国三亚572000
摘要
背景
在作物-畜牧业系统中有效利用氮（N）和磷（P）对于粮食安全和环境健康至关重要，特别是在面临营养过剩威胁农业可持续性的地区。
目标
海南是中国唯一的热带省份，被誉为“水果和蔬菜的冬季篮子”，但这伴随着氮和磷的过度使用。作为中国最大的自由贸易试验区，海南致力于可持续农业发展，并希望成为其他热带地区的典范。
方法
以该岛为例，我们模拟了氮和磷的流动情况，确定了维持农业生产所需的最低投入量和保护空气和水质的最大投入量。我们还评估了2030年的现行政策，以找出缩小这些阈值与实际做法之间差距的策略。
结果与结论
从1988年到2020年，氮和磷的投入量分别增加了2.8倍和8.2倍，而环境损失则增加了4.0倍和23.7倍。环境阈值被超过的比例在2%到80%之间，预计到2030年这一比例将上升到40%到140%。尽管氮的利用效率（NUE）从16%提高到了22%，但磷的利用效率（PUE）却从52%下降到了18%。情景分析表明，为了环境安全，氮的投入量需要减少45%，磷的投入量需要减少37%，尽管这样只能达到目标产量的96%。
意义
通过研究农业生产的现状和理想状态，我们探讨了过度使用营养物质的农艺和环境挑战，强调了在可持续管理中环境保护与农业生产率之间的权衡。
引言
可持续农业发展被广泛认为是实现联合国可持续发展目标的关键因素，特别是在粮食安全、环境保护和气候变化缓解方面（Fujimori等人，2019年；Wang等人，2022年）。然而，农田中化学肥料的过度使用以及畜禽粪便的回收不足对农业可持续性构成了严重威胁（Gu等人，2023年）。预计到2050年全球人口将达到100亿，除非实施优化管理措施，否则人为投入到作物和畜牧业生产系统的氮（N）和磷（P）的数量预计将相应增加（Zhang等人，2015年；国际肥料协会，2022年）。农业中过量的营养物质投入会导致严重的负面环境影响和相关成本（Crippa等人，2021年；Ma等人，2021年；Sutton等人，2021年）。氮和磷排放到水体中会导致富营养化（Pe?uelas和Sardans，2022年），而农业活动产生的氨（NH3）和氮氧化物排放会增加大气中的二次颗粒物，从而影响人类健康（de Vries等人，2024年）。此外，农业活动释放的一氧化二氮（N2O）会加剧全球变暖和平流层臭氧层损耗（Balmford等人，2018年；Hunt等人，2020年；West等人，2014年）。过量使用氮和磷肥料还会阻碍作物生产以及所生产食品的营养价值（Zhang等人，2021年）。因此，优化农业中的氮和磷使用是实现农业可持续发展的关键。
各国政府已经采取了许多措施来减轻农业系统中氮和磷释放的影响，尤其是在发达国家。欧盟（EU）实施了多项政策来减少农田中的氮投入，包括20世纪90年代的“硝酸盐指令”以解决地下水硝酸盐污染问题（EU，1991年）、改善地表水质量的《水框架指令》，以及减少自然区域氨沉积的《鸟类和栖息地指令》（de Vries等人，2024年）。因此，欧洲各国政府制定了国家生产上限、粪便和肥料使用限制及应用指南，以减少过量的营养物质投入和对环境的不良影响。同样，美国政府根据《清洁水法》实施了“最佳管理实践”来控制化学肥料的使用并减轻环境压力（CWA，1977年）。在加拿大，引入了农业环境指标来限制农业氨（NH3）和温室气体（GHG）的排放（Pan等人，2022年）。最后，中国政府在2015年由农业部发布了《化学肥料使用零增长行动计划》，将年肥料使用量的增长限制在1%以内，直到2019年，从2020年起不再允许进一步增加（农业部，2015年）。此外，《农业绿色发展“十四五”规划》进一步强调了减少资源消耗和提高营养物质利用效率的重要性（农业部，2021年）。所有这些政策都旨在提高营养物质利用效率，同时将环境影响降到最低。
为了监测和改善营养物质管理并促进可持续实践，已经开发了各种指标。欧盟氮专家小组提出了一个易于使用的农业系统中氮利用效率（NUE）指标，建议“理想”范围为50%–90%，最低氮产量为80公斤/公顷（Oenema等人，2015年）。另一个综合指标是可持续氮管理指数（SNMI），它结合了作物氮利用效率和产量，通过比较当前的氮利用效率和收获作物产品移除的氮量与参考值来评估农业生产的可持续性（Zhang等人，2015年）。与一般的氮利用效率评估不同，De Vries等人（2013年）和（Schulte-Uebbing等人，2022年）建立了区域氮阈值，从而扩展了基于关键氮负荷的地球边界框架。对于磷，提出了经典的农艺方法，即根据土壤磷测试（如磷饱和度）来平衡作物产量、水质和有限的磷资源（van Doorn等人，2024年）。全球范围内，氮的总过剩边界设定为248太克/年（Chang等人，2021年），而磷肥投入的阈值设定为6–12太克/年（Zou等人，2022年）。这种氮和磷管理的“安全操作空间”旨在通过平衡食品生产的好处及其对生态系统的负面影响来确保粮食安全和环境质量（Cole等人，2014年；Dao等人，2018年；Schulte-Uebbing和de Vries，2021年）。
尽管在温带地区进行了大量关于营养物质管理的研究，但在热带地区了解得却很少，而那里的人口特别容易受到粮食不安全的影响（Leakey，2020年；Leakey，2023年）。热带农业在当地GDP中占较大比重，涉及的人口比例也高于发达国家。中国唯一的热带省份海南岛是一个大型自由贸易试验区，计划到2025年底实现独立海关运作。海南岛拥有约4842平方公里的耕地（占总面积的13.7%）和122,200平方公里的果园（占总面积的34.8%）（图1a），2021年其农业GDP占比为21%，高于非洲、拉丁美洲和亚洲等其他热带地区的平均水平（图1b，c）。此外，海南岛33%的人口从事农业（《海南统计年鉴》，2021年），这一比例接近最不发达地区（40%）（图1c），而其人均GDP超过了亚洲和非洲的其他热带地区（图1d）。然而，从1988年到2020年，海南的农业经历了快速发展。化学肥料的使用量从73吉克/年增加到187吉克/年，磷肥的使用量从21吉克五氧化二磷/年增加到110吉克五氧化二磷/年，畜牧业系统的氮投入量从68吉克增加到295吉克，同时畜牧业系统的营养物质投入也显著增加（《海南统计年鉴》，2021年）。这导致了大量的营养物质损失和低粪便回收率（Li等人，2022年；Sun等人，2020年），使得海南成为热带农业可持续性方面“营养物质使用过量的”案例。
作为“营养物质使用过量”的地区，海南政府发布了《海南省“十四五”规划和2035年长远规划》，以促进农业的可持续发展。该规划提出了2030年的具体目标，包括每公顷产量增加、粮食总产量增加50,000吨、蔬菜和水果产量增加42%、畜牧业产品增加220,000吨。此外，还计划将化学肥料的使用量比2020年减少15%，并将秸秆和作物粪便的回收率提高到90%。在这项研究中，我们应用了“食物链、环境和资源利用中的营养物质流动”（NUFER）模型来模拟海南岛的营养物质流动情况。更详细地说，我们通过使用关键环境阈值和农艺目标值定义了农业中营养物质使用的安全操作阈值。我们还评估了现行政策，以找出缩小这些阈值与实际做法之间差距的方法。通过了解农业生产和营养物质使用的现状和理想状态，我们探讨了作物-畜牧业系统如何协作，以及可以采取哪些农艺措施来应对过度使用营养物质所带来的农艺和环境挑战。
研究区域
研究区域
海南岛是海南省的主岛，是中国南部海岸唯一的热带岛屿（北纬18°10′–20°10′，东经108°37′–111°03′）（图1a）。年平均气温在22°C至27°C之间，年日照时数在1780至2600小时之间，年平均降雨量约为1600毫米，为热带作物系统提供了理想的环境。鉴于这些有利条件，该岛被誉为“国家种子繁殖基地”
农业系统中的氮和磷流动
模拟了1988年、2000年、2010年和2020年农业系统中的氮和磷流动情况（图4）。氮和磷的总投入量分别从1988年的108吉克和12.3吉克增加到2020年的398吉克和113吉克。在作物系统中，化学肥料氮的使用量从73吉克增加到187吉克，化学肥料磷的使用量从9.1吉克增加到48吉克（图S1a）。这种增加可以归因于经济作物种植面积的扩大和更高的肥料施用量。
为可持续发展提高氮利用效率
尽管海南岛的氮利用效率（NUE）逐渐提高，但仍显著低于中国的全国平均水平23%（Bai等人，2018年；Ma等人，2021年）。此外，在仅考虑环境友好性的情景下，氮利用效率高于美国等国家的水平，例如美国的大型集约化奶牛场（拥有超过100头奶牛）的氮利用效率范围为35%至56%（Powell等人，2010年），以及荷兰的基于放牧的系统（占农场面积的60–79%）
结论
在这项研究中，我们量化了海南岛的历史氮和磷流动情况，并预测了战略农业情景下的趋势。过去四十年的数据显示，农业系统中的氮和磷损失有所增加，同时作物-畜牧业系统的氮利用效率（NUE）和磷利用效率（PUE）有所下降。到2020年，氮和磷的投入量（化学肥料和有机肥料）超过了环境阈值的2%–80%。预计到2030年，氮和磷的投入量将比设定的环境阈值高出40%–140%
作者贡献声明
董鹏博：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。阮云泽：数据整理。杰拉德·H·罗斯：撰写——审阅与编辑、方法论。维姆·德弗里斯：撰写——审阅与编辑、概念化。奥内·奥内玛：撰写——审阅与编辑、概念化。张福锁：概念化。张颖：撰写——审阅与编辑、方法论、资金筹集、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1901404）、海南重点研发计划（ZDYF2024HXGG003）、海南省院士创新平台的专项研究基金（YSPTZX202307）以及三亚科技创新项目（2022KJCX90）的共同资助。作者感谢匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见和建议极大地改进了手稿的质量。
