DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01542-x
تاريخ النشر: 2024-09-17
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: محصول المحاصيل وخصوبة التربة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث التأثير البيئي الكبير لاستخدام الأسمدة النيتروجينية (N) في زراعة الذرة والقمح، اللذان يمثلان معًا ثلثي إمدادات الحبوب العالمية. باستخدام خوارزميات التعلم الآلي، أنشأ المؤلفون خرائط عالية الدقة لتحديد خسائر النيتروجين التفاعلي في التربة (Nr) الخاصة بالمحاصيل. في عام 2020، كانت تقديرات خسائر التربة العالمية السنوية من الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية 0.18 مليون طن للذرة و0.12 مليون طن للقمح، مع انبعاثات أكسيد النيتروز غير المباشرة (N₂O) المقابلة التي بلغت 45,000 طن و37,000 طن، على التوالي. تسلط الدراسة الضوء على أن المسارات الهيدرولوجية حاسمة في هذه الانبعاثات.
يقترح المؤلفون أن تحسين كفاءة استخدام النيتروجين بنسبة تصل إلى 60% في المناطق التي تقل حاليًا عن هذا العتبة يمكن أن يقلل من خسائر التربة Nr بمقدار 4.00 مليون طن سنويًا لكلا المحصولين، مما يؤدي إلى تقليل بنسبة 49% في انبعاثات N₂O غير المباشرة. هذه النتائج مهمة لتعديل الميزانيات العالمية للنيتروجين المتعلقة باستخدام الأسمدة في الزراعة وتحسين النماذج التي تتوقع ردود فعل دورة النيتروجين والمناخ. تؤكد الورقة على الدور المزدوج للنيتروجين كعنصر أساسي لنمو المحاصيل وكعامل مساهم في القضايا البيئية، بما في ذلك تلوث الهواء والتغذية الزائدة، بسبب خسائره خلال الممارسات الزراعية.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح معايير اختيار المشاركين، والتدخلات المحددة التي تم إدارتها، ومدة الدراسة. تشمل المنهجية كلاً من الأساليب النوعية والكمية، مما يضمن تحليلًا شاملاً للبيانات التي تم جمعها.
تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام البرمجيات المناسبة، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. يصف القسم أيضًا استخدام مجموعات التحكم والتوزيع العشوائي لتقليل التحيز، بالإضافة إلى التدابير المتخذة لضمان موثوقية وصدق النتائج. بشكل عام، فإن الطرق المستخدمة قوية، مما يسمح بإجراء تحقيق شامل في الأسئلة البحثية المطروحة.
مناقشة
يسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التباين المكاني الكبير في خسائر النيتروجين المباشر (Nr) من الأسمدة الاصطناعية المطبقة على محاصيل الذرة والقمح على مستوى العالم. تكشف الخرائط عالية الدقة التي تم إنشاؤها باستخدام نماذج الغابات العشوائية لعام 2020 أن القيم المتوسطة العالمية لأشكال مختلفة من خسائر النيتروجين – مثل أكسيد النيتروز (F-N₂O)، الأمونيا (F-NH₃)، تسرب النيتروجين (F-N leaching)، والجريان السطحي (F-N run-off) – أعلى بشكل ملحوظ للذرة مقارنة بالقمح. تحدد الدراسة خصائص التربة، وخاصة الكربون العضوي في التربة (SOC) ودرجة الحموضة، كعوامل حاسمة تؤثر على هذه الخسائر، مع لعب المتغيرات المناخية مثل متوسط درجة الحرارة السنوية دورًا كبيرًا أيضًا. تؤكد النتائج على الحاجة الملحة لفهم مصادر التباين في خسائر النيتروجين عبر مناطق وممارسات إدارة مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تقوم الدراسة بتقدير إجمالي خسائر التربة Nr من استخدام الأسمدة الاصطناعية، مقدرة خسائر كبيرة بسبب تطاير الأمونيا والمسارات الهيدرولوجية، التي تمثل معًا أكثر من 94% من إجمالي الخسائر. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) واستخدام الأسمدة ذات الكفاءة المحسنة (EEFs) كاستراتيجيات فعالة لتقليل خسائر النيتروجين. تقترح أن تحسين تطبيق الأسمدة وممارسات الإدارة يمكن أن يؤدي إلى تقليل كبير في خسائر النيتروجين والانبعاثات غير المباشرة لأكسيد النيتروز، مما يسهم في ممارسات زراعية أكثر استدامة. تدعو النتائج إلى استراتيجيات إدارة مصممة خصيصًا تتماشى مع الظروف البيئية المحلية لتعزيز NUE وتقليل تلوث النيتروجين.
القيود
تقدم هذه الدراسة تقييمًا شاملاً لخسائر النيتروجين (Nr) الناتجة عن الأسمدة في التربة من زراعة الذرة والقمح العالمية، مرتبطة بهذه الخسائر بانبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O) غير المباشرة. ومع ذلك، فإن النتائج تخضع لقيود وعدم اليقين المتعلقة بجمع البيانات والنمذجة، كما هو موضح في المعلومات التكميلية. تشمل المجالات الرئيسية للتحسين الحاجة إلى بيانات قياس طويلة الأجل لالتقاط التغيرات بين السنوات في خسائر التربة Nr، وضرورة تضمين خسائر Nr خلال فترات السكون في ميزانيات النيتروجين، وتطوير نماذج بيولوجية كيميائية معززة بالتعلم الآلي لتحسين التقديرات الحالية.
علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على ضرورة وجود ممارسات إدارة مصممة خصيصًا لتقليل خسائر التربة Nr المرتبطة بتطبيق الأسمدة النيتروجينية، مع مراعاة التوازن بين النيتروجين في الأسمدة (F-Nr) وكفاءة استخدام النيتروجين (NUE) في المحاصيل الحبوب. كما تسلط الضوء على أهمية تحسين استراتيجيات تطبيق النيتروجين جنبًا إلى جنب مع استخدام الأسمدة ذات الكفاءة المحسنة (EEFs) وتدعو إلى تطوير EEFs جديدة فعالة من حيث التكلفة والتي تشكل مخاطر بيئية أقل. بشكل عام، تعزز هذه الأبحاث فهمنا للمسارات التي تسهم في خسائر التربة Nr وتؤكد على أهمية دمج انبعاثات N₂O غير المباشرة في الميزانية العالمية للنيتروجين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-024-01542-x
Publication Date: 2024-09-17
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Crop Yield and Soil Fertility
Overview
This section of the research paper discusses the significant environmental impact of nitrogen (N) fertilizer use in the cultivation of maize and wheat, which together account for two-thirds of the global grain supply. Utilizing machine learning algorithms, the authors generated high-resolution maps to quantify crop-specific soil reactive nitrogen (Nr) losses. In 2020, the estimated global annual soil Nr losses from synthetic N fertilizer were 0.18 million tonnes for maize and 0.12 million tonnes for wheat, with corresponding indirect nitrous oxide (N₂O) emissions of 45,000 tonnes and 37,000 tonnes, respectively. The study highlights that hydrologic pathways are crucial in these emissions.
The authors propose that enhancing nitrogen use efficiency by up to 60% in regions currently below this threshold could mitigate soil Nr losses by 4.00 million tonnes annually for both crops, leading to a 49% reduction in indirect N₂O emissions. These findings are significant for refining global nitrogen budgets related to fertilizer use in agriculture and improving models that project nitrogen cycle-climate feedbacks. The paper underscores the dual role of nitrogen as essential for crop growth and as a contributor to environmental issues, including air pollution and eutrophication, due to its losses during agricultural practices.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. It details the selection criteria for participants, the specific interventions administered, and the duration of the study. The methodology includes both qualitative and quantitative approaches, ensuring a comprehensive analysis of the data collected.
Statistical analyses were performed using appropriate software, with significance levels set at p < 0.05. The section also describes the use of control groups and randomization to mitigate bias, as well as the measures taken to ensure the reliability and validity of the results. Overall, the methods employed are robust, allowing for a thorough investigation of the research questions posed.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant spatial variability in direct nitrogen (Nr) losses from synthetic fertilizers applied to maize and wheat crops globally. High-resolution maps generated using random forest models for 2020 reveal that the global mean values for various forms of nitrogen loss—such as nitrous oxide (F-N₂O), ammonia (F-NH₃), nitrogen leaching (F-N leaching), and runoff (F-N run-off)—are notably higher for maize than for wheat. The study identifies soil properties, particularly soil organic carbon (SOC) and pH, as critical factors influencing these losses, with climate variables like mean annual temperature also playing a significant role. The findings underscore the urgent need to understand the sources of variation in nitrogen loss across different regions and management practices.
Additionally, the research quantifies the total soil Nr losses from synthetic fertilizer use, estimating substantial losses due to ammonia volatilization and hydrologic pathways, which together account for over 94% of total losses. The study emphasizes the importance of improving nitrogen use efficiency (NUE) and employing enhanced efficiency fertilizers (EEFs) as effective strategies for mitigating nitrogen losses. It suggests that optimizing fertilizer application and management practices could lead to significant reductions in nitrogen losses and associated indirect nitrous oxide emissions, thereby contributing to more sustainable agricultural practices. The results advocate for tailored management strategies that align with local environmental conditions to enhance NUE and reduce nitrogen pollution.
Limitations
This study provides a comprehensive assessment of fertilizer-induced nitrogen (Nr) losses in soils from global maize and wheat cultivation, linking these losses to indirect nitrous oxide (N₂O) emissions. However, the findings are subject to limitations and uncertainties related to data sampling and modeling, as detailed in the supplementary information. Key areas for improvement include the need for long-term measurement data to capture interannual variations in soil Nr losses, the inclusion of Nr losses during fallow periods in nitrogen budgets, and the development of biogeochemical models enhanced by machine learning to refine current estimates.
Furthermore, the study emphasizes the necessity of tailored management practices to mitigate soil Nr losses associated with nitrogen fertilizer application, considering the trade-offs between fertilizer nitrogen (F-Nr) and nitrogen use efficiency (NUE) in cereal crops. It also highlights the importance of improving nitrogen application strategies alongside the use of enhanced efficiency fertilizers (EEFs) and calls for the development of new, cost-effective EEFs that pose fewer environmental risks. Overall, this research enhances our understanding of the pathways contributing to soil Nr losses and underscores the significance of incorporating indirect N₂O emissions into the global nitrogen budget.