IMAGE-GNM unterscheidet drei Ablaufende Nährstoffwege, d.h. (i) Verluste aus jüngsten Nährstoffanwendungen in Form von Dünger, Gülle oder organischer Substanz77, (ii) einen “Gedächtniseffekt” im Zusammenhang mit langfristigen historischen Veränderungen der Bodennährstoffbestände78,79 und (iii) P-Verlust durch Verwitterung und Transport durch Subgrundablauf und Grundwasserleiter. Der Ansatz verwendet Schätzungen des Erosionsbodenverlusts von Cerdan et al.80, die Messdaten nutzten, um ein Modell zu entwickeln, das auf Hang, Bodentextur und Bodenbedeckungsart basiert, um die aggregierten Bodenverlustraten für Ackerland, Grünland und natürliche Vegetation zu schätzen. Der anfängliche P-Bestand (Jahr 1900) in den oberen 30 cm stammt aus einem kürzlich erstellten Bestand81. Es wird davon ausgegangen, dass die Inputs und Outputs des Bodenbudgets in den oberen 30 cm auftreten; Das Modell ersetzt P durch Erosion durch frisches Bodenmaterial (mit dem anfänglichen Boden-P-Gehalt) am Boden. Das Modell liefert hohe Werte des P-Abflugverlustes als Bruchteil der P-Inputs für Regionen mit niedrigem P-Einsatz aufgrund des relativ wichtigen Beitrags von P in Bodenmaterial, wie z. B. in der Russischen Föderation und in Afrika südlich der Sahara. In anderen Regionen liegen die P-Verluste durch Ablauf zwischen 10 und 30 % der P-Eingänge. Für N wird der organische C-Gehalt des Bodens, der im Laufe der Zeit als konstant angenommen wird, als Grundlage für die Berechnung von N in erodiertem Bodenmaterial unter Verwendung von landspezifischen C:N-Verhältnissen (Boden C:N für Ackerland 12, für Grünland 14 und für Böden unter natürlicher Vegetation 14) verwendet. Im Jahr 2010 führt dieser Ansatz zu Ablauf-N-Verlusten von 4–16 % des Gesamtinputs und 10–40 % der Gesamt-N-Verluste, abhängig von der Kombination von Bodeneigenschaften und Steigung sowie klimatischen Bedingungen, die Denitrifikations- und Auslaugungsverluste bestimmen. Details zum IMAGE-GNM-Ansatz zur Berechnung von Erosionsverlusten von N und P werden von Beusen et al.11 bereitgestellt.
Während eine erhöhte anthropogene Nährstoffbelastung schwerwiegende ökologische Auswirkungen hat, kann die Situation der Nährstoffreduktion, die zu veränderungenden Nährstoffverhältnissen führt, zusätzliche Auswirkungen haben. Wenn N und P in Oberflächenwasser über Silizium (Si) in Bezug auf die Anforderungen von Siliziumalgen (Diatomen) eingeleitet werden, entwickeln sich oft unerwünschte nicht-diatomische Algenarten. Viele Phytoplanktonarten, die schädliche Algenblüten verursachen, haben physiologische Anpassungsstrategien, die sie unter Bedingungen erhöhter N:P-Bedingungen begünstigen37,38, insbesondere wenn sich Silizium (Si)-Ströme nicht ändern oder abnehmen39. Der Bau von Staudämmen und die Entwicklung von Stauseen haben zu einem Rückgang des Si-Transports durch Flüsse geführt40, und die Komplexität wird sogar noch verschärft durch die Auswirkungen mehrerer konspirativer globaler Veränderungsprozesse auf die biogeochemischen Transformationen in Flusseinzugsgebieten, wie Klimawandel, Landnutzungsänderung, Urbanisierung und verbrauchende Wassernutzung. Einer der beiden folgenden Ansätze wird im Allgemeinen zur Bewertung des Düngemittelverbrauchspotenzials verwendet: Unter Anwendung des Ernährungsbedarfs pro Kopf auf die projizierte Bevölkerung wird der Nahrungsmittelbedarf für jedes Jahr berechnet. Die Daten zur pflanzlichen Erzeugung, zum Viehbestand und zum Düngemittelverbrauch stammen aus FAOSTAT9,10. Für die Berechnung der Boden-N- und P-Budgets werden statistische Daten für alle Länder der Welt aus FAOSTAT9,10 und subnationale Daten für USA59, China60,61,62 und Europe63 verwendet. Für Länder, in denen subnationale Daten verwendet werden, werden die Daten so skaliert, dass die nationale Gesamtsumme mit den FAOSTAT-Daten übereinstimmt.
Wir stellen fest, dass zur Verbesserung der Effizienz der P-Nutzung eine langfristige Landwirtschaftlichen Systemperspektive erforderlich ist. Die Verfügbarkeit von P für die Ernteaufnahme und die P-Nutzungseffizienz kann durch eine angemessene und allmähliche Ansammlung von Restboden P verbessert werden, wobei die Risiken für die aquatische Ökologie durch Minimierung der Ablaufzeitverluste berücksichtigt werden. Die Subventionierung des Einsatzes von synthetischem P-Dünger ist eine mögliche Maßnahme, um diesen P-Aufbau zu verbessern, da während dieser Akkumulationsphase des Restbodens P der PUE relativ niedrig sein wird.