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Données scientifiques volume 10, Numéro d'article : 363 (2023) Citer cet article
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Des informations à haute résolution sur les taux de phosphore spécifiques aux cultures sont essentielles pour une gestion durable des engrais agricoles en Chine. Cependant, des incertitudes substantielles existent dans l'ensemble de données actuel sur les engrais phosphorés en raison des statistiques nationales grossières utilisées dans le développement de l'ensemble de données et de l'absence d'informations spécifiques aux cultures fournies. Cette étude a harmonisé les statistiques provinciales et départementales sur le phosphore et les composants des engrais et les données sur la distribution des cultures pour générer des cartes quadrillées de 1 km du taux de phosphore pour le riz, le blé et le maïs au cours des années 2004-2016 (CN-P). Le CN-P fournit une estimation comparable du taux de phosphore pour chaque culture sur la période 2004-2016 et démontre une meilleure hétérogénéité spatiale. L'ensemble de données existant développé à l'aide des statistiques nationales a tendance à lisser la variabilité au sein du pays et sous-estime considérablement le taux de phosphore réel. Le CN-P montre que, de 2004 à 2016, le blé a reçu le taux de phosphore le plus élevé (8,7 g P2O5 m−2), tandis que le maïs a montré la tendance à la hausse la plus rapide (2,36 % an−1). L'ensemble de données CN-P a le potentiel d'être largement appliqué dans les études de modélisation sur les stratégies de gestion durable des engrais agricoles et la pollution par le phosphore.
Le phosphore joue un rôle vital dans la croissance des cultures1,2 et la satisfaction des besoins alimentaires3,4,5. La Chine est le plus grand pays producteur et consommateur d'engrais phosphorés6. En 2020, il y a environ 13 millions de tonnes d'engrais phosphorés produits en Chine, et environ 9 millions de tonnes ont été utilisées dans l'agriculture, ce qui représente 20,6 % de la consommation mondiale d'engrais phosphorés7. Depuis 1980, l'application totale d'engrais phosphorés a augmenté et des demandes substantielles d'engrais phosphorés ont été projetées en 2050 en raison de la croissance démographique en Chine4.
L'utilisation excessive d'engrais phosphorés entraîne une série de problèmes environnementaux8. Actuellement, vingt provinces sont soumises à différents niveaux de pollution au phosphore9. Le phosphore disponible dans le sol est passé de 17,09 mg L−1 dans les années 1990 à 33,28 mg L−1 dans les années 2000 en Chine10 ; et 48 Tg de phosphore s'est lixivié dans les masses d'eau au cours des 60 dernières années3,11. En conséquence, l'eutrophisation a été constatée dans 23,6 % des principaux lacs de Chine, et 4,5 % étaient modérément eutrophes et 0,9 % étaient gravement eutrophes12. Par conséquent, la gestion durable des engrais phosphorés est cruciale à la fois pour la sécurité alimentaire et la conservation de l'environnement.
Pour étudier la gestion efficace des engrais phosphorés, il est essentiel de comprendre l'état du taux de phosphore agricole. Des études antérieures ont examiné l'empreinte historique du phosphore6, le budget de phosphore1 et les pertes de phosphore3. Ces analyses sont généralement basées sur les statistiques de phosphore à l'échelle nationale de FAOSTAT7 et IFASTAT13. Un ensemble de données maillées sur le phosphore agricole a été développé par Lu et Tian14, dans lequel ils ont obtenu la consommation maillée de phosphore en multipliant les statistiques sur le taux de phosphore à l'échelle nationale avec les données maillées sur les terres cultivées. Bien qu'ils soient largement utilisés, l'ensemble de données existant présente trois principales lacunes : (1) La statistique de phosphore la plus largement disponible est à l'échelle nationale. Il s'agit de données très grossières qui ont tendance à regrouper les hétérogénéités spatiales au sein d'un pays ; (2) La source de données du taux de phosphore provenait du département des statistiques et les données sur les terres cultivées ont été obtenues à partir de la méthode de télédétection dans le produit de données. La composition directe des deux types de données peut soulever le problème de l'incohérence du calibre statistique ; (3) L'ensemble actuel de données maillées sur le phosphore ne fournit que des informations sur le phosphore agricole total, plutôt que sur des cultures spécifiques. Le manque de données spécifiques aux cultures rend difficile la séparation des engrais phosphorés selon les différentes cultures et saisons de croissance dans l'analyse de modélisation.
Pour surmonter ces lacunes, nous avons construit un nouvel ensemble de données maillées sur le taux de phosphore, appelé CN-P. CN-P est un ensemble de données maillées à résolution de 1 km sur le taux de phosphore pour trois cultures vivrières de base (c'est-à-dire le riz, le blé et le maïs) en Chine sur la période 2004-2016. Celui-ci contient des cartes quadrillées du taux de phosphore chaque année pour chaque culture. Dans la construction des données, nous avons utilisé la statistique au niveau du comté, qui est la meilleure statistique agricole en Chine. Après validation, nous avons constaté que le CN-P présente un taux de phosphore spécifique à la culture comparable aux enquêtes précédentes auprès des agriculteurs et fournit une distribution spatialement explicite améliorée par rapport à l'ensemble de données de pointe précédent par rapport à l'année individuelle. Nous avons constaté que la seule utilisation des statistiques nationales dans les précédents ensembles de données maillées sur le phosphore tend à lisser la variabilité spatiale et sous-estime considérablement le taux de phosphore agricole.
Plusieurs données ont été utilisées pour construire CN-P (tableau 1). Les annuaires statistiques, « Statistiques coûts-avantages des produits agricoles », fournissent les données historiques provinciales sur le phosphore spécifique aux cultures et le taux d'engrais entre 2004 et 201615,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27. Les zones de culture historiques provinciales spécifiques aux cultures, les zones de culture agricoles totales et les consommations totales de phosphore et d'engrais composants ont été téléchargées à partir du Bureau national des statistiques de Chine28. Les données provinciales ci-dessus incluent 31 provinces de la partie continentale de la Chine, à l'exclusion de Hong Kong, Macao et Taïwan. Les statistiques au niveau des comtés étaient basées sur le "China County Statistical Yearbook"29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41, compilé par l'Académie chinoise des sciences agricoles. Notez que les statistiques de consommation de phosphore et d'engrais au niveau du comté ne rapportent que la consommation totale d'engrais, mais pas par culture. Les zones de culture au niveau des comtés comprennent à la fois des statistiques sur les zones de culture agricoles spécifiques et totales dans 2267 comtés. Les données sur la répartition des cultures sont basées sur des cartes de répartition des zones de culture quadrillées de 1 km pour le riz, le blé et le maïs entre 2004 et 2016 obtenues auprès de National Science & Technology Infrastructure42.
La figure 1 illustre les étapes du traitement des données, au cours desquelles nous avons harmonisé les statistiques sur le phosphore et les composants au niveau provincial/comté et les données sur la distribution des cultures pour générer des cartes quadrillées de 1 km du taux de phosphore pour le riz, le blé et le maïs dans les années 2004-2016.
Diagramme pour le traitement de séries chronologiques spatialement explicites du taux de phosphore du riz, du blé et du maïs en Chine sur la période 2004-2016. « P » désigne les engrais phosphorés et « Com » désigne les engrais à composants.
Nous avons d'abord multiplié le taux provincial de phosphore et d'engrais composant du riz, du blé et du maïs avec leurs zones de culture pour générer la consommation de phosphore et d'engrais composant spécifique à chaque culture dans chaque province chaque année. Après cela, en soustrayant les trois cultures ci-dessus de la consommation totale de phosphore et d'engrais composants dans chaque province, on peut obtenir la consommation provinciale de phosphore et d'engrais composants d'autres cultures. Nous avons ensuite divisé la consommation de phosphore et d'engrais des autres cultures par les superficies cultivées des autres cultures pour obtenir le taux de phosphore et d'engrais des autres cultures dans chaque province chaque année. En suivant les étapes ci-dessus, nous avons généré le taux de phosphore et d'engrais composant du riz, du blé, du maïs et d'autres cultures dans chaque province sur la période 2004-2016.
En utilisant les statistiques du comté, nous avons d'abord calculé la superficie de culture du riz, du blé, du maïs et d'autres cultures dans chaque combinaison comté-année en utilisant la même méthode pour les données provinciales à l'étape ci-dessus. Pour les données manquantes, la méthode d'interpolation de colonne cubique a été utilisée pour combler les lacunes lorsque les données n'étaient pas disponibles pendant moins de 3 années consécutives. Pour harmoniser les statistiques au niveau provincial et au niveau du comté, nous n'avons pas simplement multiplié les deux statistiques directement, comme dans l'ensemble de données précédent14. Au lieu de cela, nous avons calculé le rapport entre la consommation d'engrais phosphore / composant spécifique à la culture et le total du comté en tant qu'Eq. (1). Ensuite, la consommation de phosphore/composant d'engrais pour une culture spécifique dans chaque combinaison comté-année peut être estimée en multipliant les statistiques de consommation totale de phosphore/composant d'engrais au niveau du comté avec les ratios ci-dessus comme Eq. (2). Enfin, ces consommations d'engrais divisées par les statistiques sur les zones de culture au niveau des comtés spécifiques à la culture peuvent produire le taux d'engrais phosphore/composant du riz, du blé et du maïs dans chaque comté chaque année en tant qu'Eq. (3). Cette pratique permet d'éviter le problème potentiel d'incohérence des calibres statistiques par rapport à la méthode de calcul direct des premières études14, et de maintenir les hétérogénéités spatiales entre départements. Une comparaison plus approfondie peut être consultée dans la section de validation technique.
où FRi, p, y est le taux de phosphore/composant d'engrais pour le type de culture i, à la province p, l'année y; Ai, j, y sont les statistiques sur les superficies cultivées pour le type de culture i, dans le comté j situé dans la province p, l'année y; Rati, j, y est le rapport entre la consommation de phosphore/composant d'engrais pour le type de culture i et la consommation totale d'engrais \(\left({\sum }_{i}{{\rm{FR}}}_{i,p,y}\times {{\rm{A}}}_{i,j,y}\right)\), dans le comté j situé dans la province p, l'année y. FCj, y est les statistiques de consommation de phosphore/composant d'engrais dans le comté j, l'année y ; FCi, j, y est les estimations de la consommation de phosphore/composant d'engrais pour le type de culture i, dans le comté j, l'année y. FRi, j, y est le taux d'engrais phosphore/composant pour le type de culture i, dans le comté j, l'année y
Dans l'étape, nous avons transféré le taux d'engrais phosphore/composant ci-dessus au taux de phosphore (c'est-à-dire P2O5 g/m2). Les statistiques brutes des engrais phosphorés sont déjà la quantité de P2O5 provenant des engrais phosphorés. Pour les données sur les composants d'engrais, nous les avons converties en grammes de P2O5 en multipliant la teneur pondérée en P2O5 des composants d'engrais importés et produits dans le pays chaque année (tableau 2). Ces étapes nous permettent d'estimer le taux de phosphore spécifique à la culture au niveau du comté au cours de la période 2004-2016 en additionnant le gramme de P2O5 par unité de superficie cultivée à partir du phosphore et des engrais composants chaque année.
À la dernière étape, des cartes de répartition des zones de croissance des cultures maillées de riz, de blé et de maïs ont été utilisées comme trame de masque et ont extrait les pixels avec la culture en croissance pour produire les cartes maillées du taux de phosphore pour chaque culture chaque année.
L'ensemble de données CN-P43 est accessible au public en téléchargement à partir du référentiel Zenodo. Le jeu de données est enregistré sous forme de format GeoTiff. Il est organisé en dossiers selon les cultures, et nommé selon le format "CNP_
Distribution spatiale du taux de phosphore spécifique aux cultures moyennée sur la période 2004-2016. (a) carte du riz ; (b) carte du blé ; (c) carte du maïs.
Pour tester la validité de CN-P, nous avons comparé les données avec les estimations des enquêtes auprès des agriculteurs44,45,46,47,48,49,50. Comme ces estimations ont été réalisées par questionnaire au cours d'années individuelles (indiquées par des points dans la Fig. 3) ou par une valeur moyenne sur une période (indiquée par des points colinéaires dans la Fig. 3), ces enquêtes pourraient être considérées comme une estimation indépendante. Il y avait une grande différence entre les enquêtes, comme Du et al.45 ont estimé un taux de phosphore beaucoup plus élevé, en particulier pour le blé (Fig. 3b) et le maïs (Fig. 3c) que pour les autres. En général, le taux de phosphore des trois cultures que nous avons estimé se situait dans la fourchette de ces études (Fig. 3). Pour les tendances temporelles, les enquêtes auprès des agriculteurs ont également présenté une tendance à la hausse plus significative pour le maïs (Fig. 3c) par rapport au riz (Fig. 3a) et au blé (Fig. 3b), ce qui est cohérent avec les tendances du CN-P. Cette partie de la comparaison suggère que le CN-P est comparable à ces enquêtes indépendantes d'agriculteurs sur le taux de phosphore pour chaque culture.
Comparaison du taux de phosphore spécifique aux cultures avec les enquêtes auprès des agriculteurs sur la période 2004-2016. La ligne bleue est l'estimation de CN-P ; les points sont des estimations pour des années individuelles, et les points colinéaires sont les estimations moyennées sur plusieurs années dans les enquêtes auprès des agriculteurs.
Comme il n'y a pas d'ensemble de données sur le phosphore spécifique aux cultures précédentes, nous avons calculé la consommation totale de phosphore de la Chine et la distribution spatiale du taux de phosphore total par terre cultivée sur la base des statistiques du comté, qui ont été utilisées pour les comparer avec les ensembles de données précédents sur le phosphore. Dans cette analyse, comme nos statistiques de comté incluent les données sur le phosphore total et les terres cultivées, nos résultats basés sur les statistiques de comté doivent être considérés comme des observations.
Tout d'abord, nous avons calculé la consommation totale de phosphore sur la base des statistiques du comté et l'avons comparée aux résultats de FAOSTAT17, IFASTAT13 et NBS28 à la Fig. 4. Les résultats des engrais phosphorés variaient entre les sources de données, ce qui reflète les incertitudes dans les statistiques sur les engrais phosphorés, même pour ces sources de données officielles (Fig. 4). Cela est dû à la méthode d'enquête différente utilisée par ces bases de données. Par exemple, la base de données IFASTAT est basée sur l'enquête envoyée aux correspondants nationaux, y compris les associations d'engrais, les sociétés d'engrais, les consultants, les experts, etc. Mais la base de données FAOSTAT est basée sur le questionnaire FAOSTAT sur les engrais. En général, nos estimations se situaient dans la fourchette des trois sources de données avant 2013. Au-delà de 2013, nos estimations étaient supérieures à celles des trois autres bases de données, mais proches des résultats du NBS (Fig. 4). D'après nos résultats, il y a eu une augmentation de la consommation de phosphore au fil du temps jusqu'en 2015, suivie d'une légère baisse après l'année. Le modèle de tendance temporelle de nos estimations est cohérent avec le NBS (Fig. 4). L'année du point de changement est la même que l'année où le ministère chinois de l'Agriculture a introduit l'action visant à atteindre une croissance nulle de l'utilisation des engrais chimiques en 201551.
Comparaison de la consommation de phosphore dérivée de CN-P, IFASTAT, FAOSTAT et NBS sur 2004-2016.
Deuxièmement, nous avons ensuite comparé la carte de distribution spatiale du taux de phosphore agricole total par terre cultivée avec la moyenne de Lu et Tian14 sur la période 2004-2013 (Remarque : la dernière année rapportée à Lu et Tian14 est 2013). La définition des terres cultivées ici est différente de la zone de culture utilisée dans le CN-P. Les terres cultivées pourraient être utilisées pour cultiver plus d'une saison de culture dans le même champ. À l'aide de nos statistiques de comté, nous avons calculé le taux total de phosphore agricole par terre cultivée. Pour les données de Lu et Tian14, nous avons converti les grammes de phosphore dans leur ensemble de données en grammes de P2O5 en multipliant par le rapport de 142/62. Nous avons constaté que l'hétérogénéité spatiale différait entre les deux ensembles de données (Fig. 5). La statistique du comté est supérieure aux résultats estimés par Lu et Tian14. En utilisant les statistiques du comté, certaines régions ont atteint 18 à 26 g de P2O5 par mètre carré de terres cultivées (Fig. 5b), tandis que la plupart des zones étaient inférieures à 18 g de P2O5/m2 dans l'ensemble de données de Lu et Tian14 (Fig. 5a). Un autre désaccord est qu'il y avait un point chaud à taux de phosphore élevé dans le centre de la Chine présenté par nos statistiques de comté (Fig. 5b), alors que cela n'a pas été montré à Lu et Tian14 (Fig. 5a). Cela reflète l'approche de construction des données de Lu et Tian14, qui ont multiplié un taux de phosphore au niveau national avec la superficie des terres cultivées maillées et ajusté avec les données nationales de l'inventaire IFASTAT. Une telle approche conduira à la sous-estimation du taux de phosphore car le taux de phosphore au niveau national pourrait lisser la variabilité à l'échelle sous-nationale et sous-estimer le point chaud au sein du pays. Par conséquent, la présence d'hétérogénéité spatiale de Lu et Tian14 provient principalement des zones de terres cultivées maillées et ne peut pas refléter les hétérogénéités spatiales réelles. Cette partie de l'analyse suggère que l'introduction de statistiques au niveau du comté est indispensable pour montrer une amélioration des estimations et de la distribution spatiale du taux de phosphore.
Comparaison du taux moyen de phosphore par terre cultivée sur la période 2004-2013. (a) cartes de Lu et Tian14 ; (b) des cartes basées sur les statistiques du comté. Pour les comparer, le même raster de masque a été utilisé.
Les incertitudes du CN-P proviennent principalement des aspects suivants : (1) Nous avons appliqué le ratio provincial de consommation de phosphore spécifique aux cultures à l'échelle des comtés. Actuellement, il n'y a pas de statistiques disponibles sur la consommation de phosphore au niveau des comtés pour chaque culture en Chine, et il est peu probable que de telles données soient jamais disponibles dans un proche avenir. (2) Pour convertir l'engrais composant en teneur en phosphore, nous avons utilisé une teneur en phosphore statique chaque année pour l'ensemble de la Chine (tableau 2). La précision de la carte peut être encore améliorée si le comté spécifique à la culture et le taux de phosphore des informations sur les composants des engrais sont disponibles. (3) Nous notons que la construction de données avant l'année 2004 est assez difficile car les "statistiques coûts-avantages des produits agricoles" n'enregistrent pas les engrais phosphorés spécifiques aux cultures avant 2004 et ne documentent que les données de l'engrais total (c'est-à-dire la somme des engrais azotés, phosphorés et potassiques). Si nous pouvions collecter des ensembles de données à plus long terme ou des approches plus précises pour combler nos lacunes, nous apporterons des améliorations futures. Par conséquent, une enquête continue sur les données d'engrais spécifiques aux cultures et le développement de cartes dynamiques des types de cultures pour répondre aux besoins de l'étude actuelle sont nécessaires de manière imminente. La série chronologique plus longue de cartes de taux de phosphore spécifiques aux cultures améliorera la caractérisation des schémas géospatiaux et temporels de la gestion des engrais phosphorés en Chine.
Le code de CN-P est archivé dans le référentiel Zenodo : https://doi.org/10.5281/zenodo.7460564.
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Ces auteurs ont contribué à parts égales : Wenmeng Zhang, Tianyi Zhang.
Collège des ressources et des sciences de l'environnement, Université agricole de Chine, Pékin, Chine
Wenmeng Zhang et Xiaoguang Yang
State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Pékin, Chine
Tianyi Zhang
Centre d'innovation collaborative sur la prévision et l'évaluation des catastrophes météorologiques, Université des sciences et technologies de l'information de Nanjing, Nanjing, Chine
Tianyi Zhang
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Tianyi Zhang a conçu l'idée de recherche ; Tianyi Zhang et Xiaoguang Yang fournissent les données brutes ; Wenmeng Zhang a calculé et vérifié l'ensemble de données ; Tianyi Zhang a écrit l'article avec les contributions de tous les auteurs.
Correspondance à Tianyi Zhang.
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
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Réimpressions et autorisations
Zhang, W., Zhang, T. & Yang, X. Ensemble de données maillées à résolution de 1 km sur le taux de phosphore pour le riz, le blé et le maïs en Chine sur la période 2004-2016. Sci Data 10, 363 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02283-z
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Reçu : 07 février 2023
Accepté : 31 mai 2023
Publié: 07 juin 2023
DOI : https://doi.org/10.1038/s41597-023-02283-z
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