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Scientific Data volumen 10, Número de artículo: 363 (2023) Citar este artículo
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La información sobre la tasa de fósforo de alta resolución y específica de cultivos es esencial para la gestión sostenible de fertilizantes agrícolas en China. Sin embargo, existen incertidumbres sustanciales en el conjunto de datos actual de fertilizantes de fósforo debido a que solo se utilizaron estadísticas nacionales gruesas en el desarrollo del conjunto de datos y no se proporcionó información específica de cultivos. Este estudio armonizó las estadísticas de fósforo y fertilizantes componentes a nivel provincial y de condado y los datos de distribución de cultivos para generar mapas cuadriculados de 1 km de la tasa de fósforo para el arroz, el trigo y el maíz en los años 2004-2016 (CN-P). CN-P proporciona una estimación comparable de la tasa de fósforo para cada cultivo entre 2004 y 2016 y demuestra una heterogeneidad espacial mejorada. El conjunto de datos existente desarrollado utilizando estadísticas nacionales tiende a suavizar la variabilidad dentro del país y subestima significativamente la tasa real de fósforo. CN-P muestra que, durante 2004–2016, el trigo recibió la mayor cantidad de fósforo (8,7 g P2O5 m−2), mientras que el maíz mostró la tendencia de aumento más rápido (2,36 % año−1). El conjunto de datos de CN-P tiene el potencial de aplicarse ampliamente en estudios de modelado sobre estrategias de gestión sostenible de fertilizantes agrícolas y contaminación por fósforo.
El fósforo juega un papel vital en el cultivo1,2 y en el cumplimiento de la demanda de alimentos3,4,5. China es el mayor productor y consumidor de fertilizantes fosforados6. En 2020, se produjeron alrededor de 13 millones de toneladas de fertilizantes de fósforo en China, y aproximadamente 9 millones de toneladas se utilizaron en la agricultura, lo que representa el 20,6 % del consumo mundial de fertilizantes de fósforo7. Desde 1980, la aplicación total de fertilizantes fosforados ha crecido y se proyectó una demanda sustancial de fertilizantes fosforados en 2050 debido al aumento de la población en China4.
El uso excesivo de fertilizantes fosforados genera una serie de problemas ambientales8. Actualmente, hay veinte provincias que están sujetas a diferentes niveles de contaminación por fósforo9. Se encontró que el fósforo disponible en el suelo aumentó de 17,09 mg L-1 en la década de 1990 a 33,28 mg L-1 en la década de 2000 en China10; y 48 Tg de fósforo se han lixiviado a cuerpos de agua en los últimos 60 años3,11. Como consecuencia, se encontró eutrofización en el 23,6 % de los principales lagos de China, y el 4,5 % eran moderadamente eutróficos y el 0,9 % eran severamente eutróficos12. Por lo tanto, la gestión sostenible de fertilizantes de fósforo es crucial tanto para la seguridad alimentaria como para la conservación del medio ambiente.
Para investigar el manejo eficiente de fertilizantes de fósforo, es fundamental comprender el estado de la tasa de fósforo agrícola. Estudios previos han estado examinando la huella histórica de fósforo6, el desplazamiento de fósforo1 y las pérdidas de fósforo3. Estos análisis generalmente se basan en las estadísticas de fósforo a escala nacional de FAOSTAT7 e IFASTAT13. Lu y Tian14 desarrollaron un conjunto de datos de fósforo agrícola cuadriculado, en el que obtuvieron el consumo de fósforo cuadriculado multiplicando las estadísticas de tasa de fósforo a escala nacional con datos de tierras de cultivo cuadriculadas. A pesar de su uso generalizado, existen tres deficiencias principales en el conjunto de datos existente: (1) La estadística de fósforo más ampliamente disponible es a escala nacional. Este es un dato muy tosco y tiende a agrupar las heterogeneidades espaciales dentro del país; (2) La fuente de datos de la tasa de fósforo fue del departamento de estadísticas y los datos de tierras de cultivo se obtuvieron del método de detección remota en el producto de datos. La combinación directa de los dos tipos de datos puede plantear el problema de la inconsistencia del calibre estadístico; (3) El conjunto de datos de fósforo cuadriculado actual solo proporciona información sobre el fósforo agrícola total, en lugar de información específica de cultivos. La falta de datos específicos de cultivos conduce a la dificultad de separar el fertilizante de fósforo por varios cultivos y temporadas de crecimiento en el análisis de modelos.
Para superar estas deficiencias, construimos un nuevo conjunto de datos de tasa de fósforo en cuadrícula, que se denominó CN-P. CN-P es un conjunto de datos cuadriculados de 1 km de resolución de la tasa de fósforo para tres cultivos alimentarios básicos (es decir, arroz, trigo y maíz) en China entre 2004 y 2016. Este contiene mapas cuadriculados de la tasa de fósforo en cada año por cada cultivo. En la construcción de datos, empleamos la estadística a nivel de condado, que es la mejor estadística agrícola de China. Después de la validación, encontramos que CN-P demuestra una tasa de fósforo específica de cultivo comparable con las encuestas de agricultores anteriores y proporciona una distribución espacialmente explícita mejorada en relación con el conjunto de datos de vanguardia anterior en comparación con el año individual. Descubrimos que solo el uso de estadísticas nacionales en un conjunto de datos de fósforo cuadriculado anterior tiende a suavizar la variabilidad espacial y subestima significativamente la tasa de fósforo agrícola.
Se usaron múltiples datos para construir CN-P (Tabla 1). Los anuarios estadísticos, "Estadísticas de costo-beneficio de los productos agrícolas", brindan los datos históricos provinciales sobre la tasa de fertilizantes de componentes y fósforo de cultivos específicos durante 2004–201615,16,17,18,19,20,21,22,23,24, 25,26,27. Las áreas históricas provinciales de cultivos específicos, las áreas totales de cultivo agrícola y los consumos totales de fósforo y fertilizantes componentes se descargaron de la Oficina Nacional de Estadísticas de China28. Los datos provinciales anteriores incluyen 31 provincias en China continental, excluyendo Hong Kong, Macao y Taiwán. Las estadísticas a nivel de condado se basaron en el "Anuario estadístico del condado de China" 29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41, compilado por la Academia China de Ciencias Agrícolas. Tenga en cuenta que las estadísticas de consumo de fertilizantes componentes y fósforo a nivel de condado solo informan el consumo total de fertilizantes, pero no el cultivo específico. Las áreas de cultivo a nivel de condado incluyen estadísticas de cultivos específicos y áreas de cultivo agrícola total en 2267 condados. Los datos de distribución de cultivos se basan en mapas de distribución de áreas de cultivo de arroz, trigo y maíz en cuadrículas de 1 km entre 2004 y 2016 obtenidos de la Infraestructura Nacional de Ciencia y Tecnología42.
La Figura 1 ilustra los pasos del procesamiento de datos, en los que armonizamos las estadísticas de fósforo y fertilizantes componentes a nivel de provincia/condado y los datos de distribución de cultivos para generar mapas cuadriculados de 1 km de la tasa de fósforo para el arroz, el trigo y el maíz en los años 2004–2016 .
Diagrama para procesar series temporales espacialmente explícitas de la tasa de fósforo del arroz, el trigo y el maíz en China entre 2004 y 2016. "P" se refiere a fertilizantes de fósforo y "Com" se refiere a fertilizantes de componentes.
En primer lugar, multiplicamos la tasa de fertilizantes de componentes y fósforo provinciales de arroz, trigo y maíz con sus áreas de cultivo para generar el consumo de fertilizantes de componentes y fósforo específico para cada cultivo en cada provincia cada año. Después de eso, al restar los tres cultivos anteriores del consumo total de fósforo y fertilizantes componentes en cada provincia se puede producir el consumo provincial de fósforo y fertilizantes componentes de otros cultivos. Luego dividimos el consumo de fósforo y fertilizantes componentes de otros cultivos por áreas de cultivo de otros cultivos para obtener la tasa de fósforo y fertilizantes componentes de otros cultivos en cada provincia en cada año. Siguiendo los pasos anteriores, generamos la tasa de fertilizantes de fósforo y componentes de arroz, trigo, maíz y otros cultivos en cada provincia durante 2004–2016.
Usando las estadísticas del condado, primero calculamos el área de cultivo de arroz, trigo, maíz y otros cultivos en cada combinación de condado y año usando el mismo método para los datos provinciales en el paso anterior. Para los datos faltantes, se empleó el método de interpolación de columna cúbica para llenar los vacíos cuando los datos no estuvieron disponibles en menos de 3 años consecutivos. Para armonizar las estadísticas a nivel provincial y de condado, no simplemente multiplicamos las dos estadísticas directamente, como se hizo en el conjunto de datos anterior14. En su lugar, calculamos la relación entre el consumo de fósforo/fertilizante específico del cultivo y el total del condado como Eq. (1). Luego, el consumo de fósforo/fertilizante componente para cultivos específicos en cada combinación condado-año se puede estimar multiplicando las estadísticas de consumo total de fósforo/fertilizante a nivel de condado con las proporciones anteriores como Eq. (2). Finalmente, estos consumos de fertilizantes divididos por las estadísticas del área de cultivo a nivel de condado específico del cultivo pueden producir la tasa de fertilizante de fósforo/componente de arroz, trigo y maíz en cada condado en cada año como Eq. (3). Esta práctica nos permite evitar el problema potencial de inconsistencia de los calibres estadísticos en comparación con el método de cálculo directo en los primeros estudios14 y mantener las heterogeneidades espaciales entre los condados. Se puede ver una comparación más detallada en la sección de validación técnica.
donde FRi, p, y es la tasa de fósforo/fertilizante componente para el cultivo tipo i, en la provincia p, en el año y; Ai, j, y son las estadísticas del área de cultivo para el tipo de cultivo i, en el condado j ubicado en la provincia p, en el año y; Rati, j, y es la relación entre el consumo de fósforo/fertilizante componente para el tipo de cultivo i y el consumo de fertilizante sumado \(\left({\sum }_{i}{{\rm{FR}}}_{i,p ,y}\times {{\rm{A}}}_{i,j,y}\right)\), en el condado j ubicado en la provincia p, en el año y. FCj, y es la estadística de consumo de fósforo/fertilizante componente en el condado j, en el año y; FCi, j, y son las estimaciones de consumo de fósforo/fertilizante componente para el tipo de cultivo i, en el condado j, en el año y. FRi, j, y es la tasa de fósforo/fertilizante componente para el tipo de cultivo i, en el condado j, en el año y
En el paso, transferimos la tasa de fertilizante de fósforo/componente anterior a la tasa de fósforo (es decir, P2O5 g/m2). Las estadísticas brutas del fertilizante de fósforo ya son la cantidad de P2O5 del fertilizante de fósforo. Para los datos del fertilizante componente, lo convertimos a gramos de P2O5 multiplicando el contenido ponderado de P2O5 del fertilizante componente importado y producido en el país cada año (Tabla 2). Estos pasos nos permiten estimar la tasa de fósforo específica del cultivo a nivel de condado en el período 2004-2016 sumando el gramo de P2O5 por unidad de área de cultivo de fósforo y fertilizantes componentes cada año.
Como paso final, se usaron mapas cuadriculados de distribución del área de cultivo de arroz, trigo y maíz como ráster de máscara, y se extrajeron los píxeles con el cultivo en crecimiento para producir los mapas cuadriculados de la tasa de fósforo para cada cultivo en cada año.
El conjunto de datos CN-P43 está disponible públicamente para su descarga desde el repositorio de Zenodo. El conjunto de datos se guarda en forma de formato GeoTiff. Se organiza en carpetas según cultivos, y se nombra con el formato de "CNP_
Distribución espacial de la tasa de fósforo específica del cultivo promediada entre 2004 y 2016. (a) mapa de arroz; (b) mapa de trigo; (c) mapa de maíz.
Para probar la validez de CN-P, comparamos los datos con las estimaciones de las encuestas de agricultores44,45,46,47,48,49,50. Como estas estimaciones se realizaron mediante un enfoque de cuestionario en años individuales (indicados por puntos en la figura 3) o valor promedio durante un período (indicado por puntos colineales en la figura 3), estas encuestas podrían verse como una estimación independiente. Hubo una gran discrepancia entre las encuestas, como Du et al.45 estimaron una tasa de fósforo mucho más alta, especialmente para el trigo (Fig. 3b) y el maíz (Fig. 3c) que para otros. En general, la tasa de fósforo de los tres cultivos que estimamos cayó dentro del rango de estos estudios (Fig. 3). Para las tendencias temporales, las encuestas de los agricultores también presentaron tendencias crecientes más significativas para el maíz (Fig. 3c) en comparación con el arroz (Fig. 3a) y el trigo (Fig. 3b), lo cual es consistente con las tendencias de CN-P. Esta parte de la comparación sugiere que CN-P es comparable con estas encuestas de agricultores independientes sobre la tasa de fósforo para cada cultivo.
Comparación de la tasa de fósforo específica del cultivo con las encuestas de los agricultores entre 2004 y 2016. La línea azul es la estimación de CN-P; los puntos son estimaciones en años individuales, y los puntos colineales son las estimaciones promediadas por varios años en las encuestas de agricultores.
Debido a que no existe un conjunto de datos de fósforo específico de cultivo anterior, calculamos el consumo total de fósforo de China y la distribución espacial de la tasa de fósforo total por tierra de cultivo en función de las estadísticas del condado, que se utilizaron para comparar con conjuntos de datos de fósforo anteriores. En este análisis, dado que las estadísticas de nuestro condado incluyen el fósforo total y los datos de las tierras de cultivo, nuestros resultados basados en las estadísticas del condado deben verse como observaciones.
En primer lugar, calculamos el consumo total de fósforo en función de las estadísticas del condado y lo comparamos con los resultados de FAOSTAT17, IFASTAT13 y NBS28 en la Fig. 4. Los resultados del fertilizante de fósforo variaron entre las fuentes de datos, lo que refleja incertidumbres en las estadísticas de fertilizantes de fósforo incluso para estas fuentes de datos oficiales. (Figura 4). Esto se debe a los diferentes métodos de encuesta utilizados por estas bases de datos. Por ejemplo, la base de datos de IFASTAT se basa en la encuesta enviada a los corresponsales de los países, incluidas las asociaciones de fertilizantes, las empresas de fertilizantes, consultores, expertos, etc. Pero la base de datos de FAOSTAT se basa en el cuestionario de fertilizantes de FAOSTAT. En general, nuestras estimaciones estuvieron dentro del rango de las tres fuentes de datos antes de 2013. Más allá de 2013, nuestras estimaciones fueron más altas que las de las otras tres bases de datos, pero cercanas a los resultados de NBS (Fig. 4). Según nuestros resultados, hubo un aumento en el consumo de fósforo a lo largo del tiempo hasta 2015 y luego siguió una ligera caída después del año. El patrón de tendencia temporal de nuestras estimaciones es consistente con NBS (Fig. 4). El año del punto de cambio coincide con el año en que el Ministerio de Agricultura de China introdujo la Acción que busca lograr un crecimiento cero en el uso de fertilizantes químicos en 201551.
Comparación del consumo de fósforo derivado de CN-P, IFASTAT, FAOSTAT y NBS entre 2004 y 2016.
En segundo lugar, comparamos aún más el mapa de distribución espacial de la tasa de fósforo agrícola total por tierra de cultivo con el promedio de Lu y Tian14 entre 2004 y 2013 (Nota: el último año informado en Lu y Tian14 es 2013). La definición de tierra de cultivo aquí es diferente del área de cultivo utilizada en CN-P. La tierra de cultivo podría usarse para cultivar más de una temporada de cultivo en el mismo campo. Utilizando las estadísticas de nuestro condado, calculamos la tasa de fósforo agrícola total por tierra de cultivo. Para los datos de Lu y Tian14, convertimos los gramos de fósforo de su conjunto de datos en gramos de P2O5 multiplicándolos por la proporción de 142/62. Descubrimos que la heterogeneidad espacial difería entre los dos conjuntos de datos (Fig. 5). La estadística del condado es más alta que los resultados estimados por Lu y Tian14. Usando las estadísticas del condado, algunas regiones alcanzaron 18–26 g P2O5 por metro cuadrado de tierra de cultivo (Fig. 5b), mientras que la mayoría de las áreas tenían menos de 18 g P2O5/m2 en el conjunto de datos de Lu y Tian14 (Fig. 5a). Otro desacuerdo es que hubo un punto crítico de alta tasa de fósforo en el centro de China presentado por las estadísticas de nuestro condado (Fig. 5b), mientras que esto no se mostró en Lu y Tian14 (Fig. 5a). Esto refleja el enfoque de construcción de datos de Lu y Tian14, que multiplicó una tasa de fósforo a nivel nacional con el área de tierras de cultivo cuadriculadas y se ajustó con los datos nacionales del inventario de IFASTAT. Tal enfoque conducirá a la subestimación de la tasa de fósforo porque la tasa de fósforo a nivel nacional podría suavizar la variabilidad en la escala subnacional y subestimar el punto crítico dentro del país. Por lo tanto, la presencia de heterogeneidad espacial de Lu y Tian14 proviene principalmente de las áreas de tierras de cultivo cuadriculadas y no puede reflejar las heterogeneidades espaciales reales. Esta parte del análisis sugiere que la introducción de estadísticas a nivel de condado es críticamente necesaria para mostrar estimaciones mejoradas y distribución espacial en la tasa de fósforo.
Comparación de la tasa promedio de fósforo por tierra de cultivo entre 2004 y 2013. (a) mapas de Lu y Tian14; (b) mapas basados en estadísticas del condado. Para compararlos, se utilizó el mismo raster de máscara.
Las incertidumbres de CN-P se deben principalmente a los siguientes aspectos: (1) Aplicamos el índice de consumo de fósforo específico de cultivo provincial a escala de condado. Actualmente, no hay estadísticas disponibles sobre el consumo de fósforo a nivel de condado para cada cultivo en China, y es poco probable que tales datos estén disponibles en un futuro cercano. (2) Para convertir el fertilizante componente en contenido de fósforo, usamos un contenido de fósforo estático en cada año para toda China (Tabla 2). La precisión del mapa se puede mejorar aún más si se dispone de información sobre el condado específico del cultivo y la proporción de fósforo de los fertilizantes componentes. (3) Observamos que la construcción de datos antes del año 2004 es bastante difícil ya que las "Estadísticas de costo-beneficio de los productos agrícolas" no registran el fertilizante de fósforo específico de cultivo antes de 2004 y solo documentan los datos del fertilizante total (es decir, la suma de fertilizantes nitrogenados, fosforados y potásicos). Si pudiéramos recopilar conjuntos de datos a más largo plazo o enfoques más precisos para llenar los vacíos de nuestros datos, proporcionaremos mejoras futuras. Por lo tanto, se requiere de manera inminente una encuesta continua de datos de fertilizantes específicos de cultivos y el desarrollo de mapas dinámicos de tipos de cultivos para satisfacer las necesidades del estudio actual. La serie temporal más larga de mapas de índices de fósforo específicos de cultivos mejorará la caracterización de los patrones geoespaciales y temporales de la gestión de fertilizantes de fósforo en China.
El código de CN-P está archivado en el repositorio de Zenodo: https://doi.org/10.5281/zenodo.7460564.
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Este trabajo cuenta con el apoyo del Proyecto Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2019YFA0607402) y el Proyecto Nacional de Infraestructura Científica y Tecnológica Clave Instalación de Simulador Numérico de Ciencias del Sistema Terrestre (EarthLab).
Estos autores contribuyeron por igual: Wenmeng Zhang, Tianyi Zhang.
Facultad de Recursos y Ciencias Ambientales, Universidad Agrícola de China, Beijing, China
Wenmeng Zhang y Xiaoguang Yang
Laboratorio Estatal Clave de Física de la Capa Límite Atmosférica y Química Atmosférica, Instituto de Física Atmosférica, Academia China de Ciencias, Beijing, China
tianyi zhang
Centro de Innovación Colaborativa sobre Pronóstico y Evaluación de Desastres Meteorológicos, Universidad de Ciencia y Tecnología de la Información de Nanjing, Nanjing, China
tianyi zhang
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Tianyi Zhang concibió la idea de la investigación; Tianyi Zhang y Xiaoguang Yang proporcionan los datos sin procesar; Wenmeng Zhang calculó y verificó el conjunto de datos; Tianyi Zhang escribió el artículo con contribuciones de todos los autores.
Correspondencia a Tianyi Zhang.
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Zhang, W., Zhang, T. & Yang, X. Conjunto de datos cuadriculados de resolución de 1 km de la tasa de fósforo para arroz, trigo y maíz en China durante 2004–2016. Datos científicos 10, 363 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02283-z
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Recibido: 07 febrero 2023
Aceptado: 31 de mayo de 2023
Publicado: 07 junio 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02283-z
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