SCI TOTAL ENVIRON丨评估展望欧洲农业土壤磷循环:超越当前国家磷预算

论文内容

研究背景：

磷(P)是所有作物生长和发育的一种基本宏观营养素，但通过化肥过度使用磷会对环境、公众健康和经济产生负面影响。在过去的几十年里，由于密集耕作和高矿质和有机磷肥的投入，磷在欧洲某些土壤中积累。农业土壤中磷过剩会导致环境污染，导致水生生态系统富营养化。个别国家的磷肥建议旨在从土壤中提供足够的植物有效磷(PAvailable)，以用收获的作物取代出口的磷，并避免大量过剩。然而，磷肥向水生生态系统的生物地球化学流动超过了地球边界，需要采取行动减少这种环境污染。

实证P预算对于监测环境污染风险、P的使用效率以及创建指标值都是有用的。然而，经验预算假设静态关系，仅适用于有限的时间和地点、条件不变，输出受限，并没有提供与P循环相互作用的其他生物地球化学参数的信息。另一方面，在缺乏气候、土壤变量和管理实践等经验数据的情况下，基于过程的模型是估算当前和未来磷储量和动态流动的强大工具。考虑到维持不断增长的人口将增加作物磷需求，对未来情景(包括影响磷流动的潜在过程)进行建模的能力尤为重要。

研究内容：

基于过程的模型为实地试验提供了一种成本和时间效益高的替代方案，并预测了针对农业管理的政策的效果。目前为数不多的基于过程的模型模拟P的动态，通常以每月的时间步长运行，其主要限制如下: (i)不同SOM库的统一C、P比率；(ii)考虑的作物数量；(iii)与其他生物地球化学成分之间的缺失环节；(vi)全国范围内的统一磷侵蚀，无论管理、地形和土壤磷分布；(v)假设磷流失是磷输入的固定比例，而不是磷预算和土壤池。要克服这些限制，就需要使用由具有农业管理详细描述的最新数据集驱动的生态系统模型。DayCent是一种广泛使用的基于过程的模型，具有土壤生物地球化学的详细表征，包括校准的氮(N)和碳(C)子模型，并能够重现气候和农业管理对作物生产的主要影响，其P子模型最近通过欧洲长期现场实验进行了校准和测试。因此，本研究的目标是:(i)在欧盟和英国以1平方公里的高空间分辨率运行动态生物地球化学模型DayCent和校准的P、N和C子模型，以量化当前的P流和P预算; (ii)评价农业土壤中总磷(PTotal)和有效磷库; (iii)与当前农业实践相比模拟2030年和2050年代表性农业管理情景的能力。

Fig.1 显示数据输入、空间分辨率、模型集成和模型输出的流程图。运行DayCent模型所需的输入来自土壤特征和气象数据的观测数据集、土地管理实践的官方统计数据以及P子模型的校准值。*: Corine土地覆盖，**:农场结构调查。

Fig.22010-2019年10年期间，肥料(a)和矿质肥料(b)对农业土壤的年均磷输入。

Fig.32010-2019年期间，欧盟和英国农业土壤按作物收获(a)和净磷侵蚀(b) (kg P ha−1 year−1)计算的平均磷出口量

Fig.4 2010-2019年期间的平均磷平衡(a)，运行具有高最大吸附能力(1.5倍)和最大吸附亲和力的模型(b)和运行具有低最大吸附能力(0.5倍)和最小吸附亲和力的模型(c)的平均磷平衡。

Fig.5欧盟和英国2010-2019年农业表土(0-30 cm)的平均PTotal(a)和PAvailable(b)库(基于Olsen方法)。

Fig.6 与2010-2019年相比，BAU和四种农业管理实践情景对2020-2029年和2040-2049年期间欧盟和英国的平均P预算的影响流程图。

Fig.7 在2020-2029年和2040-2049年期间，农业管理实践情景导致目标区域最低磷平衡 (a)、最低磷侵蚀(b)和最高磷出口(c)。

研究结论：

平均磷素盈余(0.11 kg P ha−1 yr-1)、全磷(2240.0 kg P ha−1)和有效磷含量(77.4 kg P ha−1)等土壤磷素收支与文献和国家统计数据一致。通过农业管理情景，我们揭示了磷与生物地球化学碳、氮循环相互关联的影响下，到2030年和2050年磷预算的一系列潜在变化。因此，我们开发了一种强大的评估工具，能够在1平方公里的高空间分辨率下识别磷过剩或缺乏的地区，(ii)精确指出在哪些地区为了实现环境污染方面的政策目标农业管理的变革将是最紧迫的，(3)评估磷循环对农业管理修改的响应。

期刊信息

期刊： Science of The Total Environment

影响因子（2022）：9.8

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转自：“农科学术圈”微信公众号

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