《Nature Sustainability》：Global analysis of nitrogen inputs from irrigation water to cropland
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摘要：灌溉通过富含硝酸盐的水无意中向农田输送了活性氮，然而这一输入途径很少被量化，并且在氮预算和施肥政策中基本被忽视。研究人员汇编了超过1,300项田间观测数据，并使用机器学习进行尺度扩展，以量化2010–2019年间通过灌溉输送的氮量，并绘制其对灌溉农田的贡
摘要：灌溉通过富含硝酸盐的水无意中向农田输送了活性氮，然而这一输入途径很少被量化，并且在氮预算和施肥政策中基本被忽视。研究人员汇编了超过1,300项田间观测数据，并使用机器学习进行尺度扩展，以量化2010–2019年间通过灌溉输送的氮量，并绘制其对灌溉农田的贡献分布图。虽然中位输入量为19公斤氮每公顷每年（kg N ha?1 yr?1），但10%的观测值超过了100公斤氮每公顷每年。在全球范围内，研究人员估计灌溉每年供应14太克氮（Tg N yr?1），相当于农田合成肥料使用量的13%。在灌溉强度高且氮输入量大的地区出现了重要聚集区，表明灌溉代表着一个可观但未被充分利用的氮源。研究结果揭示了农业氮预算中一个被忽视的组成部分，该部分可以减少肥料过度使用、提高氮利用效率，并促进灌溉农田中的氮循环利用。
**论文解读：灌溉水氮输入——农业氮循环中被忽视的重要组分**
### 研究背景与科学问题
在灌溉农业系统中，水是有意施加的，但氮（N）却随之被无意输送。取自地下水和地表水源的灌溉水通常携带源自淋溶、径流等过程的硝酸盐。因此，灌溉不仅输送水分，还同时输送活性氮，主要以硝酸盐和溶解性有机氮的形式存在。这种“泵送与施肥”效应将数十年来无机和有机肥料使用所积累的遗留硝酸盐重新循环回农田。与施肥灌溉（即人为向灌溉系统注入肥料）不同，灌溉水中的氮（NIrrig）源自水源中预先存在的污染，使其成为一种隐蔽但潜在可观的输入。随着灌溉水量和进入水体的氮污染持续增加以满足不断增长的粮食需求，通过灌溉水无意供给的氮量也在持续上升。尽管NIrrig具有农业和环境双重相关性，但在农场管理中始终未被一致考虑。部分区域和地方咨询系统已建议农民在高灌溉硝酸盐浓度地区减少施肥量，但这些建议并未广泛推广，许多农民仍未意识到NIrrig是灌溉农田中一种现成、低成本且未被充分利用的氮源。已有的一些国家、区域和全球尺度的NIrrig估算在覆盖范围、时效性或与田间观测的系统性验证方面存在局限，这促使研究人员采用多尺度、数据驱动的方法来量化NIrrig并评估其对管理和政策的影响。
### 研究内容与总体结论
研究人员通过收集来自全球104项研究的1,325个NIrrig田间观测数据，并训练随机森林模型，实现了对2010–2019年全球100 km2分辨率下作物特异性NIrrig的预测。研究结果表明，全球灌溉水每年向农田输送约13.8 Tg氮，相当于全球合成肥料使用量的13%。该输入量在区域间差异显著，东亚、南亚和东南亚合计占全球NIrrig总量的四分之三以上。在国家层面，中国以每年4.2 Tg N的NIrrig总量居首，是印度的两倍、巴基斯坦的四倍。当将NIrrig纳入总氮输入计算时，在近四分之一的所有观测中，NIrrig超过了合成肥料的贡献。研究还识别出四个主要的热点聚集区，这些区域与已知的高氮盈余农业主产区相吻合。将NIrrig纳入肥料推荐可以降低许多灌溉系统对合成肥料的需求，从而提高氮利用效率。研究发表于《Nature Sustainability》，揭示了农业氮预算中一个被忽视的组成部分，对减少肥料过度使用、提高氮利用效率和促进灌溉农田中的氮循环利用具有重要意义。
### 主要关键技术方法
研究人员首先根据PRISMA指南对Web of Science数据库进行系统文献检索，结合三个外部数据集，汇编了包含1,325项观测的全球NIrrig数据集（覆盖中国、印度、美国、西班牙等主要研究区域，并包含尼布拉斯加州和南亚/东南亚的补充数据）。随后构建以作物特异性灌溉率和总农田氮输入为主要预测因子的随机森林模型，基于观测点周围5 km缓冲区提取空间协变量信息，通过空间分层交叉验证策略进行训练和超参数调优，获得加权R2为0.38、均方根误差为73 kg N ha?1 yr?1的模型性能。研究人员引入“适用面积”（AOA）概念评估预测的地理可靠性边界，并依据MapSPAM的作物灌溉面积数据（≥5 ha/网格单元）对预测结果进行掩膜处理，最终生成2010–2019年平均条件下100 km2分辨率的全球作物特异性NIrrig空间预测图。
### 主要研究结果
**灌溉水氮输入的全球变异**
在全球数据集中，NIrrig的中位数为19公斤氮每公顷每年（kg N ha?1 yr?1），四分位距（IQR）为7–47，其中32%的观测值低于10，10%超过100。NIrrig占作物总氮输入的中位比例为14%（IQR 5–33）。变异主要由灌溉量（中位数607 mm yr?1）和灌溉水硝酸盐浓度（中位数17 mg NO?? l?1）的差异驱动。在观测数超过50的作物中，蔬菜的空间覆盖最广且NIrrig值最高，中位数为38 kg N ha?1 yr?1，22%的观测值超过100，偶有观测值超过500。玉米、小麦和马铃薯的NIrrig模式相似，主要观测集中于美国、西班牙和中国。水稻在南亚和东南亚、中国、印度和越南具有最多观测，灌溉量大但NIrrig适中，然而日本近60%的观测值超过100 kg N ha?1 yr?1，韩国、印度尼西亚和孟加拉国也出现高值，NIrrig贡献高达总氮输入的64%。
**从田间观测到全球影响**
全球网格化预测显示，灌溉土地上NIrrig的中位数为46公斤氮每公顷每年（IQR 35–71），16%的面积超过100。研究人员以100公斤氮每公顷每年为阈值定义潜在管理热点区，识别出四个多作物热点聚集区：最广泛的聚集区从北非延伸至南亚，涵盖尼罗河三角洲经西亚和中亚至印度的灌溉区域；第二个聚集区位于东南亚大部分地区的水稻田；第三个聚集区覆盖中国东部和日本的稻米、玉米和蔬菜种植区；第四个聚集区包括美国中部和东部大平原地区的灌溉区域，主要种植玉米、蔬菜和小麦。模型适用面积覆盖了95±1%的灌溉作物面积。在全球范围内，NIrrig总量达13.8太克氮每年（Tg N yr?1），覆盖2.6亿公顷灌溉土地。水稻（36%）、小麦（23%）和玉米（11%）合计占总贡献的70%，每种作物接受约50公斤氮每公顷每年。
**灌溉在农田氮输入中的重要性**
研究人员估计灌溉水向全球农田贡献近14太克氮每年（Tg N yr?1），相当于全球合成肥料使用量的13%，这一数量与农田氨挥发总量、氨沉降总量以及国际贸易中隐含的氮量相当。这一相当可观的氮量在全球农业食品系统的氮流通表征中不可忽视。研究人员使用肥料依赖性（FD）指标评估NIrrig对合成肥料依赖的影响。在全球尺度上，当前FD估计为75%；当NIrrig被视为回收氮源并相应调整等量的合成肥料时，全球FD下降至67%。研究人员发现，NIrrig的聚集区与已公认的高氮盈余主要农业生产区重合，但不同区域的NIrrig主导驱动因素不同：在较干旱地区如南欧和加利福尼亚，高NIrrig贡献主要由灌溉量驱动；在温带地区如西欧，NIrrig更多受氮输入影响；在尼罗河三角洲和巴基斯坦等地区，高灌溉需求和氮输入共同驱动NIrrig。区域差异还体现在作物特异性NIrrig模式上，例如水稻在东南亚占区域NIrrig的84%，小麦在南亚贡献最高（1.5 Tg N yr?1），玉米在北美占35%。国家和地区尺度的NIrrig预测与外部数据集显示出良好的一致性。
**政策与管理意义**
将NIrrig纳入实践仍具挑战性。西班牙和葡萄牙等部分国家已将NIrrig纳入施肥指南，但其他地区的实施仍不一致。在印度，政策制定者已确认缺乏氮浓度测量数据是将其纳入施肥指南的障碍。NIrrig高度变异、难以量化，且与遗留硝酸盐的区分困难，但研究人员指出，当前施肥指南已包含类似的不确定输入（如土壤氮供应），因此纳入NIrrig是一种类似的调整而非根本性改变。NIrrig适合纳入现有法规框架，如欧盟“从农场到餐桌”战略（旨在减少肥料依赖并促进养分循环）和美国《清洁水法》（促进经处理的污水回用于灌溉）。实施NIrrig在政策框架中的运作需要克服技术、社会和制度障碍，包括农民认知有限、氮与水管理之间的关联薄弱、基础设施不足和监测工具缺失等。数字工具如卫星灌溉监测和农民自我报告平台可支持政策合规并减轻行政负担。公共机构可补贴硝酸盐测量和NIrrig估算，推广服务资助的培训项目可建设农民的测量、解释和应对能力。示范项目已表明NIrrig可以像合成肥料一样被有效利用，有助于改变农民观念并促进更广泛的采用。
### 结论与展望
认识到灌溉水作为一种氮输入，重新定义了农业中水与氮的协同管理方式，支持减少肥料依赖和增强氮循环利用的努力。将NIrrig整合到行星边界框架中可以细化区域关键氮输入阈值，在NIrrig对总氮供应贡献显著的地区，这些输入的关键阈值可能低于此前的估计。灌溉还影响超过地下水和地表水可接受氮限值的风险，特别是在灌溉效率低下和遗留硝酸盐存在导致径流和淋溶加剧的情况下。解决这些挑战需要农艺知识与协调政策的共同努力，以弥合养分治理和水治理之间的鸿沟。
