メタに基づく化学窒素肥料削減に対する土壌有機炭素と全窒素の反応

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16326 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

土壌有機炭素 (SOC)、全窒素 (TN)、およびそれらの比率 (C:N) は土壌肥沃度の維持に重要な役割を果たしており、それらの値は肥料の使用と密接に関連しています。しかし、化学窒素肥料の削減に応じた SOC、TN、および C:N の変化の全体的な傾向と規模は依然として決定的ではありません。今回のメタ分析では、化学窒素肥料削減に対するSOC、TN、C:Nの反応を調査するために、中国のさまざまな作付体系、土壌タイプ、気候地域をカバーする48地点で比較を実施した。その結果、化学窒素肥料の削減により、データベース全体で SOC が 2.76 ± 0.3%、TN が 4.19 ± 0.8% 減少し、C:N が 6.11 ± 0.9% 増加したことが示されました。具体的には、有機窒素肥料を添加せずに化学窒素を削減すると、SOC と TN がそれぞれ 3.83% と 11.46% 減少しますが、有機肥料を追加すると SOC と TN がそれぞれ 4.92% と 8.33% 増加しました。化学窒素肥料の削減によって引き起こされるSOC、TNの損失。中規模（20〜30％）の化学窒素肥料削減はSOCを6.9％増加させたが、高規模（≧30％）および合計（100％）の化学窒素肥料削減はSOCをそれぞれ3.10％と7.26％大幅に減少させた。さらに、SOCは短期期間（1〜2年）では窒素肥料削減に対して負の反応を示しましたが、結果は中長期で変換されました。このシステム分析は、土壌有機炭素と窒素に対する肥料削減の影響に関するギャップを埋めます。を全国規模で実施し、効率を高めながら施肥量を削減するための技術的基盤を提供します。

施肥は、特に化学窒素肥料の施用において、作物の収量と食料安全保障を増加させるための最も重要な農学的実践の 1 つであると考えられています 1,2。土地の生産性を高めるために、大量の化学窒素肥料が使用されてきました3,4。 2013 年までに、世界の窒素肥料の組成は年間 107.6 Tg N に達しましたが、作物は完全に吸収できません 5。そして、化学窒素肥料の継続的かつ大量の施用は、土壌劣化、土壌富栄養化、温室効果などの深刻な環境問題を引き起こしています6,7。したがって、窒素化学肥料の削減は、農業の持続可能な発展に対して世界の懸念を引き起こしています8,9,10。

化学窒素肥料の削減が SOC、TN、C:N に及ぼす影響が特定の地域で評価されています。例えば、Cheng et al.10 は、トウモロコシで 1 年間化学窒素肥料を 20% 削減した処理下で、フルボ水性褐色土壌の SOC が大幅に減少したと記載しています。しかし、Ning らの研究 11 では、10 シーズン継続して野菜を植えた畑で化学窒素肥料を 20% 削減した後でも、SOC に有意な差はなかったと述べています。 TN に関しては、さまざまな窒素適用体制下での変動が研究によって報告されています 12。 Liu らの研究では、化学窒素肥料を 25% 削減しても、TN に関する有意差は観察されませんでした13。しかし、地域特有の違いの結果は、化学肥料削減後の全国的な炭素と窒素への全体的な影響を明らかにしませんでした。化学窒素肥料の削減に応じた SOC、TN、および C:N の変化の全体的な傾向と規模はまだ不明です。気候条件、土壌の種類、農業システム、試験期間の違いを考慮すると、SOC、TN、およびC:Nに対する肥料削減の反応を評価するには全国的なデータが必要です。

複数の研究の結果を比較および統合するための強力な統計手法として、異なる研究の大きな変動性の制限を克服できるメタ分析は、臨床研究に関するランダム化比較試験の包括的な分析に広く適用されています14、15。現在、メタアナリシスは土壌科学の分野に革命的な効果をもたらし、大きな成果を上げている16,17。 Du ら 18 はメタ分析を利用して、従来の耕耘と比較した SOC 貯蔵に対する不耕起の影響を評価し、中国では SOC に対する不耕起の影響が過度に強調されていることを発見した。 Xu と Yuan の研究では、実験的温暖化に対する微生物バイオマスの炭素と窒素の反応が推定されており 19、実験的温暖化により微生物バイオマスが大幅に増加することが実証されました。これらのメタ分析はいずれも農業システムのみに焦点を当てているか、限られた地域で分析されています。したがって、化学窒素肥料の削減に対する SOC、TN、および C:N の反応を含む全国的なメタ分析が必要です。

0.05), while TN in high magnitude and total chemical nitrogen fertilizers reduction magnitude exhibited a decrease with 3.10% and 9.37% respectively (Fig. 1b). Numerous studies described that the amount of nitrogen fertilizers used in China was higher than the demand of N for crop, which caused serious N leaching and runoff29,30. Chemical nitrogen fertilizers in low and medium magnitude would not decrease the TN of soil by reducing N leaching and runoff. However, the residual nitrogen in soil cannot meet the requirement for the sustainable growth of plant with litter or without exogenous nitrogen supplement, which resulted in the decrease of TN in high and total chemical nitrogen fertilizers magnitude. Consequently, optimal nitrogen fertilizers application rates will take into account crops yield and environment friendliness./p> 0.05). The divergent response of TN to different chemical nitrogen fertilizers duration was mainly caused by the various treatments. In terms of C:N, a greater positive response was observed at short-term chemical nitrogen fertilizers duration (9.06%) than mid-term and long-term duration (1.99%). Moreover, with the prolongation of the chemical reduction time of nitrogen, the response ratio tends to zero, suggesting that the effect of chemical fertilizers gradually decrease. This may be ascribed to the buffer capacity of soil to resist the changes from external environment, including nutrients, pollutants, and redox substances35./p> 0.05), but there was a negative effect on SOC in high and total magnitude (p < 0.05). In terms of chemical fertilizer reduction duration, chemical nitrogen fertilizers reduction decreased SOC by 3.8% and 4.2% at short and long term chemical nitrogen fertilizers duration respectively, while SOC showed no significantly decrease at mid-term duration (p > 0.05). The no significant decrease at mid-term duration might result from the limited information reported in original studies of this meta-analysis36. TN showed no significant response to chemical nitrogen fertilizers without organic fertilizers supplement in the low and medium magnitude (p > 0.05). However, TN was significantly decreased by 8.62% and 16.7% respectively in the high and total magnitude. When regarding to chemical nitrogen fertilizers reduction duration, TN was significantly reduced at all of the categories, ranging from 3.13% to 13.4% (Fig. 2c). In the pattern of chemical nitrogen fertilizers reduction with organic fertilizers supplement, chemical nitrogen fertilizers reduction at medium, high, and total magnitudes significantly increased SOC by 13.85%, 13.03%, and 5.46%respectively, however, the response of SOC in the low chemical nitrogen fertilizers magnitude was not significant. Chemical nitrogen fertilizers reduction duration significantly increased SOC by 7.01%, 1.71%, and 22.02% in the short-term, mid-term, and long-term respectively. Comparatively, TN showed a significantly increase in most chemical nitrogen fertilizers categories expect for the long-term chemical nitrogen fertilizers duration, with an increasing from 4.90% to 14.69% (Fig. 2d)./p> 0.05; Fig. S1). Rule out the interference of organic fertilizers supplement, we analyzed the relationship between lnRR of SOC, TN, C:N and environmental variables as the Figures showed in Figs. 3 and 4 respectively. Under chemical nitrogen fertilizers without organic fertilizers supplement, there was a significant negative correlation between lnRR of SOC and MAT (p < 0.05, Fig. 3a) and a positively correlation between lnRR of TN and MATA (p < 0.05, Fig. 3h). However, there no significant relationship between lnRR of C:N and MAT, MAP, and MATA (p > 0.05). Apart from the significant negative correlation between the lnRR of SOC and MAT (p < 0.05, Fig. 4b) and the significant positive correlation between lnRR of C:N and MAT (p < 0.05, Fig. 4c), no other significant correlations was found between the lnRR of SOC, TN, C:N and environmental variables under the pattern of chemical nitrogen fertilizers with organic fertilizers supplement (p > 0.05, Fig. 4). The negative relationship between MAT and the effects of chemical nitrogen fertilizers reduction was mainly attributed to the high decomposition rate of soil organic matter under the conditions of high temperature42,43. MATA is a necessary requirement for the growth of crops, and MATA could accurately reflect the growth status of crops44,45. Although correlation did not prove causation, these findings suggested MATA had a significant effect on crop nitrogen./p>