可持續農業發展被廣泛認為是實現聯合國可持續發展目標的關鍵因素，特別是在糧食安全、環境保護和氣候變化緩解方面（Fujimori等人，2019年；Wang等人，2022年）。然而，農田中化學肥料的過度使用以及畜禽糞便的回收不足對農業可持續性構成了嚴重威脅（Gu等人，2023年）。預計到2050年全球人口將達到100億，除非實施優化管理措施，否則人為投入到作物和畜牧業生產系統的氮（N）和磷（P）的數量預計將相應增加（Zhang等人，2015年；國際肥料協會，2022年）。農業中過量的營養物質投入會導致嚴重的負面環境影響和相關成本（Crippa等人，2021年；Ma等人，2021年；Sutton等人，2021年）。氮和磷排放到水體中會導致富營養化（Pe?uelas和Sardans，2022年），而農業活動產生的氨（NH₃）和氮氧化物排放會增加大氣中的二次顆粒物，從而影響人類健康（de Vries等人，2024年）。此外，農業活動釋放的一氧化二氮（N₂O）會加劇全球變暖和平流層臭氧層損耗（Balmford等人，2018年；Hunt等人，2020年；West等人，2014年）。過量使用氮和磷肥料還會阻礙作物生產以及所生產食品的營養價值（Zhang等人，2021年）。因此，優化農業中的氮和磷使用是實現農業可持續發展的關鍵。

各國政府已經采取了許多措施來減輕農業系統中氮和磷釋放的影響，尤其是在發達國家。歐盟（EU）實施了多項政策來減少農田中的氮投入，包括20世紀90年代的“硝酸鹽指令”以解決地下水硝酸鹽污染問題（EU，1991年）、改善地表水質量的《水框架指令》，以及減少自然區域氨沉積的《鳥類和棲息地指令》（de Vries等人，2024年）。因此，歐洲各國政府制定了國家生產上限、糞便和肥料使用限制及應用指南，以減少過量的營養物質投入和對環境的不良影響。同樣，美國政府根據《清潔水法》實施了“最佳管理實踐”來控制化學肥料的使用并減輕環境壓力（CWA，1977年）。在加拿大，引入了農業環境指標來限制農業氨（NH₃）和溫室氣體（GHG）的排放（Pan等人，2022年）。最后，中國政府在2015年由農業部發布了《化學肥料使用零增長行動計劃》，將年肥料使用量的增長限制在1%以內，直到2019年，從2020年起不再允許進一步增加（農業部，2015年）。此外，《農業綠色發展“十四五”規劃》進一步強調了減少資源消耗和提高營養物質利用效率的重要性（農業部，2021年）。所有這些政策都旨在提高營養物質利用效率，同時將環境影響降到最低。

為了監測和改善營養物質管理并促進可持續實踐，已經開發了各種指標。歐盟氮專家小組提出了一個易于使用的農業系統中氮利用效率（NUE）指標，建議“理想”范圍為50%–90%，最低氮產量為80公斤/公頃（Oenema等人，2015年）。另一個綜合指標是可持續氮管理指數（SNMI），它結合了作物氮利用效率和產量，通過比較當前的氮利用效率和收獲作物產品移除的氮量與參考值來評估農業生產的可持續性（Zhang等人，2015年）。與一般的氮利用效率評估不同，De Vries等人（2013年）和（Schulte-Uebbing等人，2022年）建立了區域氮閾值，從而擴展了基于關鍵氮負荷的地球邊界框架。對于磷，提出了經典的農藝方法，即根據土壤磷測試（如磷飽和度）來平衡作物產量、水質和有限的磷資源（van Doorn等人，2024年）。全球范圍內，氮的總過剩邊界設定為248太克/年（Chang等人，2021年），而磷肥投入的閾值設定為6–12太克/年（Zou等人，2022年）。這種氮和磷管理的“安全操作空間”旨在通過平衡食品生產的好處及其對生態系統的負面影響來確保糧食安全和環境質量（Cole等人，2014年；Dao等人，2018年；Schulte-Uebbing和de Vries，2021年）。

盡管在溫帶地區進行了大量關于營養物質管理的研究，但在熱帶地區了解得卻很少，而那里的人口特別容易受到糧食不安全的影響（Leakey，2020年；Leakey，2023年）。熱帶農業在當地GDP中占較大比重，涉及的人口比例也高于發達國家。中國唯一的熱帶省份海南島是一個大型自由貿易試驗區，計劃到2025年底實現獨立海關運作。海南島擁有約4842平方公里的耕地（占總面積的13.7%）和122,200平方公里的果園（占總面積的34.8%）（圖1a），2021年其農業GDP占比為21%，高于非洲、拉丁美洲和亞洲等其他熱帶地區的平均水平（圖1b，c）。此外，海南島33%的人口從事農業（《海南統計年鑒》，2021年），這一比例接近最不發達地區（40%）（圖1c），而其人均GDP超過了亞洲和非洲的其他熱帶地區（圖1d）。然而，從1988年到2020年，海南的農業經歷了快速發展。化學肥料的使用量從73吉克/年增加到187吉克/年，磷肥的使用量從21吉克五氧化二磷/年增加到110吉克五氧化二磷/年，畜牧業系統的氮投入量從68吉克增加到295吉克，同時畜牧業系統的營養物質投入也顯著增加（《海南統計年鑒》，2021年）。這導致了大量的營養物質損失和低糞便回收率（Li等人，2022年；Sun等人，2020年），使得海南成為熱帶農業可持續性方面“營養物質使用過量的”案例。

作為“營養物質使用過量”的地區，海南政府發布了《海南省“十四五”規劃和2035年長遠規劃》，以促進農業的可持續發展。該規劃提出了2030年的具體目標，包括每公頃產量增加、糧食總產量增加50,000噸、蔬菜和水果產量增加42%、畜牧業產品增加220,000噸。此外，還計劃將化學肥料的使用量比2020年減少15%，并將秸稈和作物糞便的回收率提高到90%。在這項研究中，我們應用了“食物鏈、環境和資源利用中的營養物質流動”（NUFER）模型來模擬海南島的營養物質流動情況。更詳細地說，我們通過使用關鍵環境閾值和農藝目標值定義了農業中營養物質使用的安全操作閾值。我們還評估了現行政策，以找出縮小這些閾值與實際做法之間差距的方法。通過了解農業生產和營養物質使用的現狀和理想狀態，我們探討了作物-畜牧業系統如何協作，以及可以采取哪些農藝措施來應對過度使用營養物質所帶來的農藝和環境挑戰。