Historical nitrogen fertilizer use in agricultural ecosystems of the contiguous United States during 1850-2015: application rate, timing, and fertilizer types

Resumo

Uma enorme quantidade de fertilizante antropogênico de nitrogênio (N) tem sido aplicada em terras agrícolas para promover a produção agrícola nos EUA desde a década de 1850. No entanto, práticas inadequadas de gerenciamento de N causaram vários problemas ecológicos e ambientais que são difíceis de quantificar devido à escassez de mapas de uso de fertilizantes com séries temporais espacialmente explícitas. A compreensão e a avaliação do histórico de gerenciamento de fertilizantes N podem fornecer implicações importantes para aumentar a eficiência do uso de N e reduzir a perda de N. Portanto, neste estudo, desenvolvemos mapas de grade de longo prazo para representar as taxas de uso de fertilizantes N específicas da cultura, o momento da aplicação e as frações de N de amônio (NH.sub.4 .sup.+ -N) e N de nitrato (NO.sub.3 .sup.- -N) usadas nos EUA contíguos com uma resolução de 5 km × 5 km durante o período de 1850 a 2015. Descobrimos que as taxas de uso de N nos EUA aumentaram de 0,22 g N m.sup.-2 ano.sup.-1 em 1940 para 9,04 g N m.sup.-2 ano.sup.-1 em 2015. A análise geoespacial revelou que os pontos críticos para o uso de fertilizantes N mudaram do sudeste e leste dos EUA para o meio-oeste, as Grandes Planícies e o noroeste no século passado. Especificamente, o milho na região do Cinturão do Milho recebeu a entrada mais intensa de N na primavera, seguida pela aplicação de uma grande quantidade de N no outono, o que implica um alto risco de perda de N nessa região. Além disso, a fração espaço-temporal de NH.sub.4 .sup.+ -N e NO.sub.3 .sup.- -N variou muito entre as regiões. Em geral, os agricultores têm preferido cada vez mais os fertilizantes de N de amônia aos fertilizantes de N de nitrato desde a década de 1940. Os dados sobre o uso de fertilizantes nitrogenados desenvolvidos neste estudo podem servir como um insumo essencial para que as comunidades de modelagem avaliem completamente os impactos da adição de N e aprimorem o gerenciamento de N para aliviar os problemas ambientais.

Abstract

A tremendous amount of anthropogenic nitrogen (N) fertilizer has been applied to agricultural lands to promote crop production in the US since the 1850s. However, inappropriate N management practices have caused numerous ecological and environmental problems which are difficult to quantify due to the paucity of spatially explicit time-series fertilizer use maps. Understanding and assessing N fertilizer management history could provide important implications for enhancing N use efficiency and reducing N loss. In this study, we therefore developed long-term gridded maps to depict crop-specific N fertilizer use rates, application timing, and the fractions of ammonium N (NH.sub.4 .sup.+ -N) and nitrate N (NO.sub.3 .sup.- -N) used across the contiguous US at a resolution of 5 km × 5 km during the period from 1850 to 2015. We found that N use rates in the US increased from 0.22 g N m.sup.-2 yr.sup.-1 in 1940 to 9.04 g N m.sup.-2 yr.sup.-1 in 2015. Geospatial analysis revealed that hotspots for N fertilizer use have shifted from the southeastern and eastern US to the Midwest, the Great Plains, and the Northwest over the past century. Specifically, corn in the Corn Belt region received the most intensive N input in spring, followed by the application of a large amount of N in fall, implying a high N loss risk in this region. Moreover, spatial-temporal fraction of NH.sub.4 .sup.+ -N and NO.sub.3 .sup.- -N varied largely among regions. Generally, farmers have increasingly favored ammonia N fertilizers over nitrate N fertilizers since the 1940s. The N fertilizer use data developed in this study could serve as an essential input for modeling communities to fully assess N addition impacts, and improve N management to alleviate environmental problems.