随着全球人口和粮食需求的持续增加，化肥施用成为保障农作物产量和全球粮食安全的重要手段。水稻、小麦和玉米种植占全球47%的农用地面积，其氮肥用量高达52.5 Tg N，达到全球农业氮肥用量的一半以上。然而，关于全球尺度上农田氮肥投入的碳足迹定量分析仍然缺乏，导致农业氮肥投入的温室效应尚不清楚。为此，章家恩教授团队通过全球数据整合，对上述三种主要农作物生产过程的氮肥投入开展全过程生命周期评估，定量分析农作物氮肥投入的碳足迹。近日，相关成果以“Carbon footprint of synthetic nitrogen under staple crops: A first cradle-to-grave analysis”为题发表于国际生态环境领域顶级期刊《Global Change Biology》（IF₂₀₂₂=11.6，中科院一区TOP期刊）。

图 1 2019年全球三种主要农作物氮肥投入的碳足迹生命周期评价

图2 2019年全球主要国家玉米、水稻和小麦生产氮肥投入的碳足迹分析

本研究首次在全球尺度上采用全过程生命周期评估方法，量化分析了三种主要粮食作物（小麦、玉米和水稻）氮肥直接和间接排放或固存的碳量，即碳足迹，并预测其未来变化趋势。研究结果表明，2019年，通过氮肥生产的粮食净碳排放量为7.4 Gt CO₂当量，其中，肥料生产的起始阶段（生产和运输）、农业生产阶段（农业施用和植物-土壤系统吸收）和农产品收获后阶段（食物、饲料、生物燃料和损失）的贡献比例分别为2%、11%和87%（图1）。全球洲际尺度的分析表明，尽管亚洲是最大的谷类粮食生产区域，但北美洲在农产品收获后阶段的碳足迹最高（2.5 Gt CO₂当量），其碳足迹总贡献比例达到38%。同时，本研究对不同情境下农业生产的碳足迹进行了预测，结果发现，在不提升氮肥利用效率的情况下，到2100年满足全球粮食需求的农业氮肥投入将产生21.2 Gt CO₂当量的碳排放。为满足缓解全球气候变化的目标，本研究提出，若综合考虑采取提升氮肥利用效率（三种主要作物平均提升6%）、改进生产技术、减少食物损失和改善全球民众生活习惯等方面措施，2100年全球粮食作物氮肥投入的碳足迹可降至5.6 Gt CO₂当量。

此项研究对指导农业生产如何助力“双碳”目标提供了依据。研究得到岭南现代农业广东省实验室自主创新项目（NT2021010）、广东省重点研发专项（2021B0202030002）和广东省科技计划项目（2019B030301007）资助，我校威尼斯欢乐娱人v3676和岭南现代农业科学与技术广东省实验室章家恩教授为论文通讯作者，其指导的博士后Ahmed I. Abdo为论文第一作者。另外，埃及Zagazig大学和德国哥廷根大学等单位的科研人员参与本研究部分工作。

相关论文信息:  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17277

文图/威尼斯欢乐娱人v3676 危晖