Understanding human impacts on the phosphorus cycle: implicatons for agronomic and environmental management at multiple scales

Modern agriculture has led to fundamental changes in the phosphorus (P) cycle that pose agronomic and environmental challenges at all scales. Phosphorus is a non-renewable resource that is critical to food production because of its role as an essential plant nutrient. At the same time, P runoff from agricultural systems contributes to water quality degradation worldwide. Recent research has begun to illuminate the dimensions of P use in agriculture and its broader sustainability implications, yet there is limited understanding of how these disparate issues are connected across scales. In this thesis, I explore important knowledge gaps related to spatial and temporal changes in P flows due to human activity, their drivers, and some of the implications for large-scale management of soil P and water quality. With the first study, I conducted a global analysis to better understand the contemporary distribution of agronomic P use for croplands. The spatially detailed results revealed that disparities in the magnitude of P applied to cropland soils as fertilizer and manure relative to crop P use occur across most regions, but with considerable spatial variation. Although inputs of P fertilizer (14.2 Tg of P/yr) and manure (9.6 Tg of P/yr) collectively exceeded P removal by harvested crops (12.3 Tg of P/yr) at the global scale, P deficits covered almost 30% of the global cropland area. I then present a comprehensive analysis of the United States agricultural system, exploring how globalization exacerbates changes to regional P cycling. This study considered how limited national P fertilizer supplies are allocated at the interface between trade, biofuel production, and diets. Total mineral P used in the US can be traced predominantly to accumulation in domestic agricultural soils (28%), post-harvest losses (40%), or biofuel refining (10%). Only 8% of mineral P use was ultimately consumed in domestic diets, while one quarter of domestic P fertilizer use was allocated to producing exports. In turn, agriculturally-driven changes in soil P pools could have long-term ecological implications given the slow cycling of P in some soils. I conducted a comprehensive meta-analysis to assess evidence for these legacy effects throughout the world, indicated by either enriched or depleted soil labile and total P pools following agricultural abandonment. This global meta-analysis revealed potentially large and enduring legacies of past agriculture on soil P pools across different regions and soil types, but with some reduction in the magnitude of these changes over time since abandonment. Finally, I considered the roles of watershed anthropogenic and biophysical characteristics on P loading to lakes to aid in the development of large scale lake eutrophication risk models. I used a multi-faceted statistical approach with recent global land use and hydrological data to predict lakewater total phosphorus (TP) concentrations across a representative sample of >1000 lakes worldwide. Global lake TP predictions from three unique statistical methods explained from 50% to as much as 79% of the variation in observed TP, with relatively low error rates. Collectively, this work sheds new insight on agricultural modifications to the global P cycle arising from past and present nutrient management as well as how these might influence both soil P pools and water quality over time. There is growing need to balance local context (e.g., soil types, management histories, and livestock densities) with the cumulative implications these have on limited P reserves at the national or global level (e.g., closing regional P imbalances and accounting for the effects of trade). Greater attention to the spatial variation in both problems and solutions related to P, as well as their complex temporal dimensions, will be essential for advancing the science and policies needed to achieve greater P sustainability in agriculture while simultaneously ensuring healthy aquatic ecosystems.L'agriculture moderne a fondamentalement changée le cycle du phosphore (P) d'une façon qui dorénavant pose des défis agronomiques et environnementaux à toutes les échelles. Le P est une ressource non renouvelable qui est d'une importance cruciale à la production alimentaire car c'est essentiel pour les plantes. En même temps, les pertes de P à partir des terres agricoles dans l'eau de ruissellement contribuent à la dégradation de la qualité de l'eau dans le monde entier. J'explore des lacunes importantes au niveau de nos connaissances liées aux changements spatiaux et temporels dans le mouvement du P due à l'activité humaine, leurs causes, et quelques-unes des implications pour la gestion du P dans le sol et de la qualité de l'eau à grande échelle. Premierement, j'ai effectué une analyse à l'échelle globale sur les implications de l'utilisation du P agronomique sur les sols agricoles et sur la distribution actuelle du P dans les sols agricoles. Les résultats spatiaux démontré qu'il y a une disparité entre la quantité de P appliqué aux terres agricoles comme engrais chimiques et comme fumier et le P incorporé dans les récoltes agricoles dans la plus part des régions du monde, mais que l'ampleur de cette disparité varie considérablement entre ces régions. Bien qu'à l'échelle global l'application de P comme engrais (14,2 Tg P/an) et comme fumier (9,6 Tg P/an) collectivement dépasse le P incorporé dans les récoltes agricoles (12,3 Tg P/an), un déficit de P est présent sur près de 30% de la superficie mondiale des terres cultivées. J'ai ensuite effectué une étude approfondie du système agricole des États-Unis et ses partenaires commerciaux afin de comprendre comment la mondialisation exacerbe les changements dans le cycle du P régionale. Le P minéral utilisé aux États-Unis peut être tracée principalement à une accumulation dans les sols agricoles domestiques (28%), les pertes après la récolte (40%), ainsi que la production de bio carburant (10%). Seulement 8% de ce P minéral a été consommée comme nourritures aux Etats-Unis, mais un quart de la demande national d'engrais de P a été alloué à la production d'exportations. Les changements causés par agriculture sur les réservoirs de P dans sols pourraient également avoir des implications écologiques à long terme contenu de la lente vitesse à laquelle le cycle du P a lieu dans certains sols. J'ai mené une méta-analyse exhaustive des études existantes pour comprendre le rôle de l'héritage de présence de culture agricoles sur les réservoirs de P dans des sols après l'abandon agricole à travers le monde. Finalement, j'ai considéré les facteurs anthropologiques déterminants l'accumulation de P dans les lacs en comparaison avec le rôle des caractéristiques biophysiques des bassins versants afin d'aider à l'élaboration de modèles sur le risque d'eutrophisation. J'ai utilisé une approche à multiples facettes statistique pour prédire les concentrations de phosphore total (PT) pour d'un échantillon (> 1000) de lacs dans le monde entier, à partir de cartes d'utilisation des terres mondiale et de données hydrologiques courante. Mondialement les prédictions de PT dans les lacs, à partir de trois approches statistiques uniques, expliquent entre 50% et 79% de la variation observée dans le PT. Collectivement, ce travail illustre comment les modifications agricoles du cycle du P mondiale peuvent être comprit en examinant la gestion du P dans le passé et le présent ainsi que la façon dont cette gestion peut influencer les réserves du P dans les sols et la qualité de l'eau à travers le temps. Une plus grande attention à la variation spatiale dans les deux dimensions de cette problématique et les solutions liés au P, ainsi que leurs dimensions temporelles complexes, sera essentielle pour faire progresser à la fois la science et les politiques nécessaires pour parvenir à une plus grande durabilité dans la gestion du P dans l'agriculture tout en veillant à la santé des écosystèmes aquatiques