非洲农业实现可持续氮管理的国家层面路径：到2050年协调粮食安全与环境目标

《Sustainable Production and Consumption》：Country-level pathways to sustainable nitrogen management in African agriculture: Reconciling food security and environmental goals by 2050

非洲54国氮预算框架研究显示，传统路径下氮需求将增至98公斤/公顷/年，但蛋白质供应不足。通过20%减少氮流失（BAU-20L）和可持续膳食调整（BDT），可在维持土壤氮平衡的前提下提升蛋白质自给率，其中BDT路径要求151公斤/公顷/年的总氮输入，58%来自有机肥和生物固氮。

　　

巴特莱米·哈雷里马纳（Barthelemy Harerimana）|郑静（Jing Zheng）|法比安·穆希瓦（Fabien Muhirwa）|亚历山大·图伊希米雷（Alexandre Tuyishimire）|索兰热·乌瓦马霍罗（Solange Uwamahoro）|罗曼·英加比雷（Romaine Ingabire）|周明华（Minghua Zhou）

中国科学院山地灾害与环境研究所山地环境与生态安全研究中心，中国成都，610041

摘要

在非洲人口快速增长和农业系统发展的背景下，如何在限制环境退化的同时实现粮食安全是一个核心挑战。我们为54个非洲国家建立了国家级氮（N）预算框架，并预测了到2050年的氮流动情况，考虑了四种情景：照常营业（Business as Usual, BAU）、减少20%的活性氮损失（BAU-20L）、通过农业集约化实现饮食自给自足（Dietary Self-Sufficiency through Intensification, SDT），以及结合减少损失和平衡营养的可持续路径（Sustainable Dietary Pathway, BDT）。通过10,000次蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation），量化了作物生产、氮利用效率（N Use Efficiency, NUE）和活性氮损失之间的权衡。目前平均氮输入量为63公斤氮/公顷/年（63 kg N ha?1 yr?1），在BAU情景下，仍有九个国家未能达到饮食充足标准（≥4公斤氮/公顷/年，4 kg N ha?1 yr?1），其中包括北非的五个国家；到2050年，总氮输入量将上升至98公斤氮/公顷/年（98 kg N ha?1 yr?1）。BAU-20L情景虽然减少了活性氮损失，但未能缩小产量差距。SDT情景提高了粮食安全，但在某些营养不足的系统中仍导致氮过剩。BDT情景在当前氮输入量的情况下实现了粮食安全，这得益于肥料循环利用和生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）的更大贡献。要消除BDT情景下的氮过剩，需要将氮输入量提高到151公斤氮/公顷/年（151 kg N ha?1 yr?1），其中58%来自肥料和生物固氮。总体而言，非洲的可持续氮集约化需要增加氮供应，并通过改进养分管理来平衡有机和生物氮来源。

引言

农业是非洲粮食安全、生计和可持续发展的基础（Janssens等人，2022年；Ogega等人，2024年）。农业系统涵盖了不同的农业生态环境，包括北非的灌溉地中海型生产系统和撒哈拉以南非洲（SSA）的以雨水为主的中小农户系统。这种多样性既影响了氮（N）的约束条件，也影响了氮的损失途径。随着人口增长、气候变异性以及获取投入和农艺知识的结构性障碍，养分压力正在加剧（Masso等人，2017年）。由于氮对作物生产力和人类营养至关重要，许多地区的长期土壤氮耗竭继续导致产量下降和土壤健康恶化（Dimkpa等人，2023年；Liu等人，2010年；Masso等人，2017年）。因此，非洲面临双重挑战：扩大生产以满足需求，同时限制与活性氮损失相关的环境损害。

尽管非洲的化肥使用量在全球范围内属于较低水平，但由于作物消耗了土壤中的养分储备而非因为养分恢复能力提高，农艺利用效率（Agricultural Use Efficiency, AUE）可能看起来较高（Edmonds等人，2009年；Sheahan和Barrett，2017年；You等人，2023年）。通过氨挥发、反硝化和硝酸盐淋溶造成的活性氮损失会降低空气和水质，并削弱系统的氮利用效率（N Use Efficiency, NUE）。然而，在许多非洲农田中，主要问题是由于投入量低加上收获产品中的持续氮流失导致的持续土壤氮耗竭（Masso等人，2017年；Harerimana等人，2023年）。来自东亚、南亚和西欧的证据表明，通过政策支持的更好的养分管理可以提高产量并减少活性氮损失（Gu等人，2023年；He等人，2021年；You等人，2023年）。在非洲，要缩小产量差距仍需增加总氮投入，并进一步提高效率以减少污染。

关于到2050年需要额外多少氮的预测存在分歧。早期对SSA地区的预测认为氮输入量将停滞在15公斤氮/公顷/年左右（15 kg N ha?1 yr?1），而其他分析则表明需要超过180公斤氮/公顷/年（Alexandratos和Bruinsma，2012年；Elrys等人，2020年；Mogollón等人，2018年）。这种不确定性反映了一个实际决策问题：如何在避免进一步土壤氮流失的同时缩小产量和饮食蛋白质差距。综合养分管理和定制化的农艺措施可以弥补产量差距，但氮投入的组成和当地氮来源的潜力往往没有以支持规划的方式明确说明（Franke等人，2018年；He等人，2021年；You等人，2023年）。可负担性和获取途径进一步影响了农民的选择，加剧了国家间的差异（Benson和Mogues，2018年；Quitzow等人，2025年；联合国非洲经济委员会，2021年）。现有的全非洲范围评估描述了历史趋势和未来需求，但很少将氮来源和管理选项结合起来，以测试是否可以在保持土壤氮平衡和限制损失的同时实现粮食和蛋白质充足。关键参数的不确定性也往往没有在大陆尺度上进行量化。因此，决策者缺乏关于所需氮量、哪些来源可以提供氮以及需要哪些效率改进来协调粮食安全与环境限制的可靠指导。

为了解决这些问题，我们为54个非洲国家建立了国家级氮预算框架，并预测了到2050年的氮流动情况，考虑了四种路径：照常营业（BAU）、减少损失（BAU-20L）、通过集约化实现饮食自给自足（SDT）以及与气候目标相一致的可持续饮食路径（BDT）。这些情景探讨了三个问题：在BAU情景下，氮输入、效率和损失如何变化，以及当需求保持不变时，减少20%的活性氮损失会对环境性能产生何种影响；将氮供应转向肥料循环利用和生物固氮（BNF）是否可以在降低损失强度的同时实现饮食目标，并减少不同农业生态环境中的土壤氮流失风险。通过明确考虑肥料施用和生物固氮，并在国家和次区域层面解释结果，而不是通过统一的大陆目标，该分析强调了低投入系统的效率提升，并将国家路径与地球边界考虑联系起来（de Vries等人，2013年；van Vuuren等人，2025年）。

我们的目标是：（i）量化非洲农业食品系统的历史氮输入、输出和氮利用指标；（ii）预测到2050年的氮流动情况；（iii）将这些轨迹与人均蛋白质氮可用性联系起来，确定能够平衡更高氮输入和更低氮损失的管理和政策路径。通过结合氮预算、氮利用指标、饮食蛋白质指标和情景分析，我们提供了整个非洲农业可持续氮管理路径的评估，以及这些路径对2050年粮食和营养安全的影响。

研究区域和历史背景（2000年至2020年）

本研究涵盖了54个非洲国家，量化了2000年至2020年间农田系统的氮流动情况。在此期间，人口增长了66%（从8.19亿增加到14亿），城市化增加了24%，森林覆盖率下降了6%（表S1）。农业用地扩大了7%，耕地扩大了36%。尽管如此，平均化肥施用量仍低于50公斤氮/公顷/年（Fig. S1），限制了产量和氮利用效率。2020年，非洲的GDP约为3万亿美元（占全球的3%）

历史氮动态（2000年至2020年）

2000年至2020年间，非洲农业生态系统中的氮流动量增加（图1）。总氮输入量从6太克氮/年（6 Tg N yr?1）增加到12太克氮/年（12 Tg N yr?1），反映了从普遍的氮短缺向早期集约化的转变。在SSA地区，总氮输入量从4太克氮/年增加到9太克氮/年（4 Tg N yr?1），而在北非则增加了约27%（2 Tg N yr?1，图S9）。在整个非洲，I矿物肥料（Mineral Fertilizer, MNF）贡献了35%的总氮输入，I生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）贡献了34%，I机械施肥（Mechanical Nitrogen Application, MAN）贡献了14%，I粪肥（Dung and Manure, DAN）贡献了17%（图S10）。在北非，矿物肥料占主导地位（78%）

非洲农业中的氮可持续性挑战

这项全非洲范围的评估突显了粮食生产、氮利用效率和环境性能之间的持续紧张关系。许多国家的氮平衡为负或仅略有正值，表明由于外部投入低、收获产品中的养分流失量大以及食品需求快速增长，导致土壤氮耗竭（Liu等人，2023年等）

结论

本研究为54个非洲国家建立了国家级氮预算框架，并评估了到2050年的路径，将这些路径与饮食蛋白质充足性、氮损失和土壤氮平衡联系起来。结果表明，实现粮食安全目标需要增加总氮供应，而可持续性取决于将氮供应转向肥料循环利用和生物固氮，并结合能够提高氮利用效率和限制活性氮损失的管理措施。在本文探讨的参数不确定性范围内，BDT情景是最有前景的

CRediT作者贡献声明

巴特莱米·哈雷里马纳（Barthelemy Harerimana）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法论，数据分析，概念化。郑静（Jing Zheng）：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。法比安·穆希瓦（Fabien Muhirwa）：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。亚历山大·图伊希米雷（Alexandre Tuyishimire）：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。索兰热·乌瓦马霍罗（Solange Uwamahoro）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。罗曼·英加比雷（Romaine Ingabire）：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。周明华（Minghua Zhou）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U22A20562）、四川省科技计划（项目编号：2025ZYD0008）以及中国科学院山地灾害与环境研究所的科技研究计划（项目编号：IMHE-JCCX-01）的支持。此外，作者感谢国际科学组织联盟（ANSO）提供的青年人才奖学金。