Excessive N fertilization in intensive agricultural areas of China has resulted in serious environmental problems because of atmospheric, soil, and water enrichment with reactive N of agricultural origin. This study examines grain yields and N loss pathways using a synthetic approach in 2 of the most intensive double-cropping systems in China: waterlogged rice/upland wheat in the Taihu region of east China versus irrigated wheat/rainfed maize on the North China Plain. When compared with knowledge-based optimum N fertilization with 30–60% N savings, we found that current agricultural N practices with 550–600 kg of N per hectare fertilizer annually do not significantly increase crop yields but do lead to about 2 times larger N losses to the environment. The higher N loss rates and lower N retention rates indicate little utilization of residual N by the succeeding crop in rice/wheat systems in comparison with wheat/maize systems. Periodic waterlogging of upland systems caused large N losses by denitrification in the Taihu region. Calcareous soils and concentrated summer rainfall resulted in ammonia volatilization (19% for wheat and 24% for maize) and nitrate leaching being the main N loss pathways in wheat/maize systems. More than 2-fold increases in atmospheric deposition and irrigation water N reflect heavy air and water pollution and these have become important N sources to agricultural ecosystems. A better N balance can be achieved without sacrificing crop yields but significantly reducing environmental risk by adopting optimum N fertilization techniques, controlling the primary N loss pathways, and improving the performance of the agricultural Extension Service.

The nitrogen cycle has been radically changed by human activities1. China consumes nearly one third of the world’s nitrogen fertilizers. The excessive application of fertilizers2,3 and increased nitrogen discharge from livestock, domestic and industrial sources have resulted in pervasive water pollution. Quantifying a nitrogen ‘boundary’4 in heterogeneous environments is important for the effective management of local water quality. Here we use a combination of water-quality observations and simulated nitrogen discharge from agricultural and other sources to estimate spatial patterns of nitrogen discharge into water bodies across China from 1955 to 2014. We find that the critical surface-water quality standard (1.0 milligrams of nitrogen per litre) was being exceeded in most provinces by the mid-1980s, and that current rates of anthropogenic nitrogen discharge (14.5 ± 3.1 megatonnes of nitrogen per year) to fresh water are about 2.7 times the estimated ‘safe’ nitrogen discharge threshold (5.2 ± 0.7 megatonnes of nitrogen per year). Current efforts to reduce pollution through wastewater treatment and by improving cropland nitrogen management can partially remedy this situation. Domestic wastewater treatment has helped to reduce net discharge by 0.7 ± 0.1 megatonnes in 2014, but at high monetary and energy costs. Improved cropland nitrogen management could remove another 2.3 ± 0.3 megatonnes of nitrogen per year—about 25 per cent of the excess discharge to fresh water. Successfully restoring a clean water environment in China will further require transformational changes to boost the national nutrient recycling rate from its current average of 36 per cent to about 87 per cent, which is a level typical of traditional Chinese agriculture. Although ambitious, such a high level of nitrogen recycling is technologically achievable at an estimated capital cost of approximately 100 billion US dollars and operating costs of 18–29 billion US dollars per year, and could provide co-benefits such as recycled wastewater for crop irrigation and improved environmental quality and ecosystem services. Estimates of spatial patterns of nitrogen discharge into water bodies across China between 1955 and 2014 show that current discharge rates are almost three times the acceptable threshold, and ways to restore a clean water environment are suggested.

The annual nitrogen (N) budget and groundwater nitrate-N concentrations were studied in the field in three major intensive cropping systems in Shandong province, north China. In the greenhouse vegetable systems the annual N inputs from fertilizers, manures and irrigation water were 1358, 1881 and 402 kg N ha−1 on average, representing 2.5, 37.5 and 83.8 times the corresponding values in wheat (Triticum aestivum L.)–maize (Zea mays L.) rotations and 2.1, 10.4 and 68.2 times the values in apple (Malus pumila Mill.) orchards. The N surplus values were 349, 3327 and 746 kg N ha−1, with residual soil nitrate-N after harvest amounting to 221–275, 1173 and 613 kg N ha−1 in the top 90 cm of the soil profile and 213–242, 1032 and 976 kg N ha−1 at 90–180 cm depth in wheat–maize, greenhouse vegetable and orchard systems, respectively. Nitrate leaching was evident in all three cropping systems and the groundwater in shallow wells (<15 m depth) was heavily contaminated in the greenhouse vegetable production area, where total N inputs were much higher than crop requirements and the excessive fertilizer N inputs were only about 40% of total N inputs.

Synthetic nitrogen (N) fertilizer has played a key role in enhancing food production and keeping half of the world’s population adequately fed. However, decades of N fertilizer overuse in many parts of the world have contributed to soil, water, and air pollution; reducing excessive N losses and emissions is a central environmental challenge in the 21st century. China’s participation is essential to global efforts in reducing N-related greenhouse gas (GHG) emissions because China is the largest producer and consumer of fertilizer N. To evaluate the impact of China’s use of N fertilizer, we quantify the carbon footprint of China’s N fertilizer production and consumption chain using life cycle analysis. For every ton of N fertilizer manufactured and used, 13.5 tons of CO 2 -equivalent (eq) (t CO 2 -eq) is emitted, compared with 9.7 t CO 2 -eq in Europe. Emissions in China tripled from 1980 [131 terrogram (Tg) of CO 2 -eq (Tg CO 2 -eq)] to 2010 (452 Tg CO 2 -eq). N fertilizer-related emissions constitute about 7% of GHG emissions from the entire Chinese economy and exceed soil carbon gain resulting from N fertilizer use by several-fold. We identified potential emission reductions by comparing prevailing technologies and management practices in China with more advanced options worldwide. Mitigation opportunities include improving methane recovery during coal mining, enhancing energy efficiency in fertilizer manufacture, and minimizing N overuse in field-level crop production. We find that use of advanced technologies could cut N fertilizer-related emissions by 20–63%, amounting to 102–357 Tg CO 2 -eq annually. Such reduction would decrease China’s total GHG emissions by 2–6%, which is significant on a global scale.

Significance China is the world’s largest producer of reactive nitrogen (Nr), and Nr in the form of synthetic fertilizer has contributed substantially to increased food production there. However, Nr losses from overuse and misuse of fertilizer, combined with industrial emissions, represent a serious and growing cause of air and water pollution. This paper presents a substantially complete and coherent Nr budget for China and for 14 subsystems within China from 1980 to 2010, evaluates human health/longevity and environmental consequences of excess Nr, and explores several scenarios for Nr in China in 2050. These scenarios suggest that reasonable pathways exist whereby excess Nr could be reduced substantially, while at the same time benefitting human well-being and environmental health.

Effects of excessive fertilizer and manure applications on the soil environment were compared in greenhouse vegetable systems shifted from wheat-maize rotations 5-15years previously and in wheat-maize rotations. N, P and K surpluses to the greenhouses were 4328, 1337 and 1466kgha(-1)year(-1), respectively compared to 346, 65 and -163kgha(-1)year(-1) to wheat-maize fields. Subsequently, substantial mineral N and available P and K accumulated in the soil and leaching occurred down the soil profile in the greenhouses. Soil pH under vegetables was significantly lower than in the wheat-maize fields, while the EC was significantly higher in the vegetable soils. The mean Cd concentration in the vegetable soils was 2.8 times that in the wheat-maize rotations. Due to excessive fertilizer application in greenhouse vegetable production in northeast China, excessive salt and nitrate concentrations may accumulate and soil quality may deteriorate faster than in conventional wheat-maize rotations.

The excessive use of fertilizer has resulted in serious environmental degradation and a high health cost in China. Much research has focused on the technological innovation to improve fertilizer use efficiency in crop production, but the socioeconomic constraints are at present poorly understood. Here, we find that fertilizer use on a per-area basis sharply decreased with the increase of farm size; surprisingly, the crop yield is higher in large-scale farms compared to that in smallholder farms in China. High labor cost suggests a low machinery level in smallholder farms, which inhibit the application of precise fertilization technologies and management based on scientific knowledge. Meanwhile, the dependence of income from cropland is lower for smallholder farmers who have part-time jobs in urban areas compared to the professional farmers in large-scale farms. Therefore, compared to smallholder farms, large-scale farms are generally more sensitive to the increase of fertilizer price and would reduce their fertilizer use if withdrawing fertilizer subsidies that used to be considered as the key driver of fertilizer overuse. Considering the dominance of smallholder farms in China, increasing farm size should be integrated into the actions such as improving technological innovation and providing better information transfer to achieve the goal of no increase in Chinese fertilizer use.

Intensive crop production systems worldwide, particularly in China, rely heavily on nitrogen (N) fertilization, but left more than 50% of fertilizer N in the environment. Nitrogen (over) fertilization and atmospheric N deposition induce soil acidification, which is neutralized by soil inorganic carbon (SIC; carbonates), and carbon dioxide (CO2 ) is released to the atmosphere. For the first time, the loss of SIC stocks in response to N-induced soil acidification was estimated for Chinese croplands from 1980 to 2020 and forecasts were made up to 2100. The SIC stocks in croplands in 1980 were 2.16 Pg C (16.3 Mg C/ha) in the upper 40 cm, 7% (0.15 Pg C; 1.1 Mg C/ha) of which were lost from 1980 to 2020. During these 40 years, 7 million ha of cropland has become carbonate free. Another 37% of the SIC stocks may be lost up to 2100 in China, leaving 30 million ha of cropland (37.8%) without carbonates if N fertilization follows the business-as-usual (BAU) scenario. Compared to the BAU scenario, the reduction in N input by 15%-30% after 2020 (scenarios S1 and S2) will decrease carbonate dissolution by 18%-41%. If N input remains constant as noted in 2020 (S3) or decreases by 1% annually (S4), a reduction of up to 52%-67% in carbonate dissolution is expected compared to the BAU scenario. The presence of CaCO3 in the soil is important for various processes including acidity buffering, aggregate formation and stabilization, organic matter stabilization, microbial and enzyme activities, nutrient cycling and availability, and water permeability and plant productivity. Therefore, optimizing N fertilization and improving N-use efficiency are important for decreasing SIC losses from acidification. N application should be strictly calculated based on crop demand, and any overfertilization should be avoided to prevent environmental problems and soil fertility decline associated with CaCO3 losses.

Abstract Soil nitrate is important for crop growth, but it can also leach to groundwater causing nitrate contamination, a threat to human health. Here, we report a significant accumulation of soil nitrate in Chinese semi-humid croplands based upon more than 7000 samples from 141 sites collected from 1994 to 2015. In the 0–4 meters depth of soil, total nitrate accumulation reaches 453 ± 39, 749 ± 75, 1191 ± 89, 1269 ± 114, 2155 ± 330 kg N ha −1 on average in wheat, maize, open-field vegetables (OFV), solar plastic-roofed greenhouse vegetables (GHV) and orchard fields, respectively. Surprisingly, there is also a comparable amount of nitrate accumulated in the vadose-zone deeper than 4 meters. Over-use of N fertilizer (and/or manure) and a declining groundwater table are the major causes for this huge nitrate reservoir in the vadose-zone of semi-humid croplands, where the nitrate cannot be denitrified due to the presence of oxygen and lack of carbon sources. Future climatic change with more extreme rainfall events would increase the risk of accumulated nitrate moving downwards and threatening groundwater nitrate contamination.