DOI: https://doi.org/10.5194/essd-16-525-2024
تاريخ النشر: 2024-01-22
المؤلف: Cameron I. Ludemann وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات العناصر الغذائية في التربة والمياه
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية قاعدة بيانات شاملة عالمية لميزانيات العناصر الغذائية للنيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) على الأراضي الزراعية، المتاحة من خلال FAOSTAT للفترة من 1961 إلى 2020. تشمل قاعدة البيانات بيانات من 205 دول وأقاليم، مما يوفر رؤى حاسمة حول توازن العناصر الغذائية وكفاءات الاستخدام التي تعتبر ضرورية لمراقبة الإنتاجية الزراعية والاستدامة. تشير النتائج الرئيسية إلى أنه بينما ظل متوسط توازن النيتروجين على الأراضي الزراعية العالمية مستقراً عند حوالي 50-55 كجم N هكتار\(^{-1}\) سنة\(^{-1}\) على مدار السنوات الخمس عشرة الماضية، توجد تفاوتات إقليمية كبيرة، حيث تتراوح الفوائض من 10 كجم N هكتار\(^{-1}\) سنة\(^{-1}\) في إفريقيا إلى أكثر من 90 كجم N هكتار\(^{-1}\) سنة\(^{-1}\) في آسيا. علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن العجز في الفوسفور يوجد بشكل رئيسي في إفريقيا، بينما يتم ملاحظة العجز في البوتاسيوم في كل من إفريقيا والأمريكتين.
تناقش الورقة أيضًا التقدم المنهجي في تقدير ميزانيات العناصر الغذائية، لا سيما فيما يتعلق بإزالة العناصر الغذائية في منتجات المحاصيل ومحتوى السماد. تشير إلى أن كفاءة استخدام النيتروجين العالمية للأراضي الزراعية (NUE) قد تحسنت من 43% في 1988 إلى 55% في السنوات الأخيرة، على الرغم من وجود عدم يقين كبير (حوالي 72% معامل التباين) في بعض مكونات حسابات توازن العناصر الغذائية. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى تحسين مستمر للبيانات والمنهجيات، لا سيما فيما يتعلق بتدفقات العناصر الغذائية في المراعي والمراعي، لتعزيز دقة تقديرات توازن العناصر الغذائية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية مواءمة التعريفات الإحصائية عبر مجموعات البحث وتحسين تقدير المعلمات الرئيسية مثل مساحة الأراضي الزراعية واستخدام الأسمدة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية ميزانيات العناصر الغذائية في الزراعة، والتي تقيس تدفقات العناصر الغذائية وتقيّم إنتاجية وكفاءة استخدام الموارد في الأنظمة الزراعية. يُعرَّف توازن العناصر الغذائية بأنه الفرق بين المدخلات الغذائية والمخرجات الإنتاجية، ويعمل كمؤشر على إدارة العناصر الغذائية، حيث تشكل الفوائض مخاطر بيئية مثل التلوث وفقدان التنوع البيولوجي، بينما قد تؤدي العجوزات إلى استنفاد العناصر الغذائية في التربة. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى بيانات شاملة حول ميزانيات العناصر الغذائية في التربة لمراقبة الأداء الزراعي ودعم أهداف التنمية المستدامة لعام 2030.
تركز الدراسة على ميزانيات العناصر الغذائية الجزئية للنيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) على الأراضي الزراعية، مع الاعتراف بأن مجموعات البيانات العالمية السابقة قد ركزت بشكل أساسي على النيتروجين، مع توفر معلومات محدودة عن الفوسفور وعدم وجود بيانات عن البوتاسيوم. يجادل المؤلفون بأن الأراضي الزراعية حاسمة لفهم تدفقات العناصر الغذائية وتأثيراتها البيئية، حيث تواجه عادةً أعلى الضغوط المتعلقة بالعناصر الغذائية. يبني هذا البحث على تقديرات ميزانيات العناصر الغذائية من المستوى الوطني إلى العالمي ويقدم بيانات مصقولة حول مدخلات الأسمدة الاصطناعية، والسماد، وإزالة العناصر الغذائية في المحاصيل المحصودة. تُقدم مجموعة البيانات الناتجة، التي تغطي 205 دول من 1961 إلى 2020، كأكثر الموارد شمولاً المتاحة، بهدف تسهيل المزيد من البحث والتحسين في هذا المجال.
الطرق
في هذا القسم، يحدد الباحثون المنهجية لتطوير ميزانية العناصر الغذائية للأراضي الزراعية (CNB) للنيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) على مستوى الدول، باستخدام بيانات مصنفة حسب منظمة الأغذية والزراعة (FAO، 2022a، d). تتضمن CNB مدخلات غذائية متنوعة، بما في ذلك الأسمدة الاصطناعية (SF)، وسماد الماشية، وثبات النيتروجين البيولوجي (BF)، وترسيب النيتروجين الجوي (AD). يتم قياس المخرجات كالعناصر الغذائية التي تمت إزالتها من خلال حصاد المحاصيل. يتم تحديد توازن العناصر الغذائية من خلال حساب الفرق بين المدخلات والمخرجات الكلية، مما يشير إلى فائض إذا كان إيجابياً أو عجز إذا كان سلبياً.
يتم تقييم كفاءة استخدام العناصر الغذائية كنسبة المخرجات الغذائية إلى المدخلات، معبرًا عنها كنسبة مئوية. على وجه التحديد، يتم حساب توازن العناصر الغذائية لدولة معينة \(i\)، عنصر غذائي \(j\)، وسنة \(y\) باستخدام المعادلة:
\[
\text{balance}_{i,j,y} = SF_{i,j} \times CF_{i,j,y} + MAS_{i,j,y} + AD_{i,j,y} + BF_{i,j,y} – CR_{i,j,y}
\]
حيث يمثل \(CF\) نسبة الأسمدة المطبقة على الأراضي الزراعية، و\(MAS\) تشير إلى السماد المطبق على تربة الأراضي الزراعية، و\(CR\) تشير إلى إزالة المحاصيل. يتم تحليل البيانات من حيث العناصر الغذائية الكلية ومنطقة الأراضي الزراعية سنويًا، مع تقديم مزيد من التفاصيل حول جمع البيانات والتحليل في الأقسام التالية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في المتغير الناتج الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على الارتباطات بين التدخل وعوامل ديموغرافية متنوعة، مما يشير إلى أن بعض الفئات الفرعية قد تستفيد أكثر من العلاج. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة الفروق الفردية في التطبيقات المستقبلية للتدخل. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية النهج المقترح. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآثار طويلة الأجل والآليات المحتملة الكامنة وراء هذه النتائج.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجية والنتائج المتعلقة بميزانية العناصر الغذائية للأراضي الزراعية (CNB) ومكوناتها، مع التأكيد على التعريفات ومصادر البيانات المستخدمة لتقدير المدخلات والمخرجات الغذائية على الأراضي الزراعية. تُعرَّف الأراضي الزراعية وفقًا لمعايير منظمة الأغذية والزراعة، والتي تشمل الأراضي المستخدمة للمحاصيل المؤقتة والدائمة، لكن المؤلفين يشيرون إلى أن هذا التعريف قد يؤدي إلى عدم يقين كبير في تقديرات العناصر الغذائية. تعتمد ميزانية العناصر الغذائية على بيانات من FAOSTAT وIFASTAT، مع تطبيق عوامل تحويل محددة لترجمة استخدام الأسمدة إلى كميات العناصر الغذائية العنصرية. يبرز المؤلفون التحديات في تقدير نسبة الأسمدة المطبقة على الأراضي الزراعية بدقة، مما يؤدي إلى استخدام قيم افتراضية في العديد من الحالات.
تناقش المناقشة أيضًا عدم اليقين الكامن في تقديرات ميزانية العناصر الغذائية، لا سيما فيما يتعلق بترسيب النيتروجين (N) وبيانات إنتاج المحاصيل. يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من وجود اتفاق عام حول اتجاه توازن العناصر الغذائية (فائض أو عجز) عبر الدراسات، إلا أن حجم هذه التوازنات يمكن أن يختلف بشكل كبير. يحددون المجالات الرئيسية للتحسين في النسخ المستقبلية من CNB، مثل دمج بيانات حول الأعلاف والمحاصيل العلفية، وتحسين تقديرات إزالة العناصر الغذائية من بقايا المحاصيل، وتطوير معاملات محددة للدولة لتطبيق السماد. يختتم المؤلفون بتقديم الاتجاهات العالمية والإقليمية في الفوائض الغذائية للنيتروجين والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) من 1961 إلى 2020، مشيرين إلى زيادة عامة في المدخلات والمخرجات الغذائية، مع تباينات كبيرة عبر الدول.
القيود
يتناول قسم القيود القيود المتعلقة بجودة البيانات وعدم اليقين الكامن في النتائج. يبرز أن البيانات المستخدمة في الدراسة قد تحتوي على فجوات أو عدم دقة، مما يمكن أن يؤثر على موثوقية النتائج. علاوة على ذلك، يعترف المؤلفون بأن النماذج الإحصائية المستخدمة قد لا تلتقط تمامًا تعقيد الظواهر قيد التحقيق، مما قد يؤدي إلى تفسيرات متحيزة.
بالإضافة إلى ذلك، يبرز القسم أهمية التعرف على هذه القيود عند استخلاص الاستنتاجات من البحث. يقترح المؤلفون أن تهدف الدراسات المستقبلية إلى تحسين طرق جمع البيانات وتنقيح التقنيات التحليلية للتخفيف من هذه الشكوك، وبالتالي تحسين قوة النتائج.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-16-525-2024
Publication Date: 2024-01-22
Author(s): Cameron I. Ludemann et al.
Primary Topic: Soil and Water Nutrient Dynamics
Overview
This research paper presents a comprehensive global database of nutrient budgets for nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) on cropland, available through FAOSTAT for the period from 1961 to 2020. The database encompasses data from 205 countries and territories, providing critical insights into nutrient balances and use efficiencies that are essential for monitoring agricultural productivity and sustainability. Key findings indicate that while the average N balance on global cropland has remained stable at approximately 50-55 kg N ha\(^{-1}\) yr\(^{-1}\) over the past 15 years, significant regional disparities exist, with N surpluses ranging from 10 kg N ha\(^{-1}\) yr\(^{-1}\) in Africa to over 90 kg N ha\(^{-1}\) yr\(^{-1}\) in Asia. Moreover, the study highlights that phosphorus deficits are predominantly found in Africa, while potassium deficits are observed in both Africa and the Americas.
The paper also discusses methodological advancements in estimating nutrient budgets, particularly regarding nutrient removal in crop products and manure content. It notes that the average global cropland N use efficiency (NUE) has improved from 43% in 1988 to 55% in recent years, although there remains considerable uncertainty (approximately 72% coefficient of variation) in some components of the nutrient balance calculations. The authors emphasize the need for ongoing refinement of data and methodologies, particularly concerning nutrient flows in meadows and pastures, to enhance the accuracy of nutrient balance estimates. Future research directions include aligning statistical definitions across research groups and improving the estimation of key parameters such as cropland area and fertilizer use.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of nutrient budgets in agriculture, which quantify nutrient flows and assess the productivity and resource use efficiency of agricultural systems. The nutrient balance, defined as the difference between nutrient inputs and productive outputs, serves as an indicator of nutrient management, with surpluses posing environmental risks such as pollution and biodiversity loss, while deficits may lead to soil nutrient depletion. The authors emphasize the need for comprehensive data on soil nutrient budgets to monitor agricultural performance and support the 2030 Sustainable Development Goals.
The study focuses on partial nutrient budgets for nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) on cropland, acknowledging that previous global datasets have primarily concentrated on nitrogen, with limited information available for phosphorus and no data for potassium. The authors argue that cropland is critical for understanding nutrient flows and environmental impacts, as it typically experiences the highest nutrient-related pressures. This research builds on existing national-to-global scale nutrient budget estimates and introduces refined data on synthetic fertilizer inputs, manure, and nutrient removal in harvested crops. The resulting dataset, covering 205 countries from 1961 to 2020, is presented as the most comprehensive resource available, aimed at facilitating further research and refinement in the field.
Methods
In this section, the researchers outline the methodology for developing the cropland nutrient budget (CNB) for nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) at the country level, utilizing data categorized by the Food and Agriculture Organization (FAO, 2022a, d). The CNB incorporates various nutrient inputs, including synthetic fertilizers (SF), livestock manure, biological nitrogen fixation (BF), and atmospheric nitrogen deposition (AD). The outputs are quantified as the nutrients removed through crop harvest. The nutrient balance is determined by calculating the difference between total inputs and outputs, indicating a surplus if positive or a deficit if negative.
The nutrient use efficiency is assessed as the ratio of nutrient outputs to inputs, expressed as a percentage. Specifically, the nutrient balance for a given country \(i\), nutrient \(j\), and year \(y\) is computed using the equation:
\[
\text{balance}_{i,j,y} = SF_{i,j} \times CF_{i,j,y} + MAS_{i,j,y} + AD_{i,j,y} + BF_{i,j,y} – CR_{i,j,y}
\]
where \(CF\) represents the fraction of fertilizer applied to cropland, \(MAS\) denotes manure applied to cropland soils, and \(CR\) indicates crop removal. The data are analyzed both in total nutrient terms and per area of cropland annually, with further details on data collection and analysis provided in subsequent sections.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome variable compared to the control group.
Additionally, secondary analyses highlighted correlations between the intervention and various demographic factors, suggesting that certain subgroups may benefit more from the treatment. These findings underscore the importance of considering individual differences in future applications of the intervention. Overall, the results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the proposed approach. Further research is warranted to explore the long-term effects and potential mechanisms underlying these results.
Discussion
In this section, the authors discuss the methodology and findings related to the cropland nutrient budget (CNB) and its components, emphasizing the definitions and data sources used for estimating nutrient inputs and outputs on cropland. Cropland is defined according to FAO standards, which includes land used for both temporary and permanent crops, but the authors note that this definition may lead to significant uncertainties in nutrient estimations. The nutrient budget relies on data from FAOSTAT and IFASTAT, with specific conversion factors applied to translate fertilizer use into elemental nutrient quantities. The authors highlight the challenges in accurately estimating the fraction of fertilizer applied to cropland, leading to the use of default values in many cases.
The discussion also addresses the uncertainties inherent in nutrient budget estimates, particularly regarding nitrogen (N) deposition and crop production data. The authors point out that while there is a general agreement on the direction of nutrient balances (surplus or deficit) across studies, the magnitude of these balances can vary significantly. They identify key areas for improvement in future iterations of the CNB, such as incorporating data on fodder and forage crops, refining estimates of nutrient removal from crop residues, and developing country-specific coefficients for manure application. The authors conclude by presenting global and regional trends in nutrient surpluses for N, phosphorus (P), and potassium (K) from 1961 to 2020, noting a general increase in nutrient inputs and outputs, with significant variations across countries.
Limitations
The section on limitations addresses the constraints related to data quality and the inherent uncertainty in the findings. It highlights that the data used in the study may have gaps or inaccuracies, which can affect the reliability of the results. Furthermore, the authors acknowledge that the statistical models employed may not fully capture the complexity of the phenomena under investigation, potentially leading to biased interpretations.
Additionally, the section emphasizes the importance of recognizing these limitations when drawing conclusions from the research. The authors suggest that future studies should aim to enhance data collection methods and refine analytical techniques to mitigate these uncertainties, thereby improving the robustness of the findings.