Significance Overuse of agricultural chemicals has resulted in enormous damages to environmental quality and human health in China. Reducing the use of agricultural chemicals to an optimal level is a crucial challenge for the sustainable development of agriculture. We demonstrate that small farm size (in China, typically ∼0.1 ha for each parcel) is strongly related to overuse of agricultural chemicals. Farm size increases with economic development in many other countries, but this is not observed in China due to national policies. Increasing farm size by removing policy distortions would substantially decrease both the use of agricultural chemicals and their environmental impact, while increasing rural income in China.

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.

China is a global hotspot of atmospheric ammonia (NH3) emissions and, as a consequence, very high nitrogen (N) deposition levels are documented. However, previous estimates of total NH3 emissions in China were much lower than inference from observed deposition values would suggest, highlighting the need for further investigation. Here, we reevaluated NH3 emissions based on a mass balance approach, validated by N deposition monitoring and satellite observations, for China for the period of 2000 to 2015. Total NH3 emissions in China increased from 12.1 ± 0.8 Tg N yr–1 in 2000 to 15.6 ± 0.9 Tg N yr–1 in 2015 at an annual rate of 1.9%, which is approximately 40% higher than existing studies suggested. This difference is mainly due to more emission sources now having been included and NH3 emission rates from mineral fertilizer application and livestock having been underestimated previously. Our estimated NH3 emission levels are consistent with the measured deposition of NHx (including NH4+ and NH3) on land (11–14 Tg N yr–1) and the substantial increases in NH3 concentrations observed by satellite measurements over China. These findings substantially improve our understanding on NH3 emissions, implying that future air pollution control strategies have to consider the potentials of reducing NH3 emission in China.