메타 기반 화학적 질소비료 감소에 대한 토양 유기탄소와 총질소의 반응

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16326(2022) 이 기사 인용

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토양 유기 탄소(SOC), 총 질소(TN) 및 이들의 비율(C:N)은 토양 비옥도를 보존하는 데 중요한 역할을 하며 이들 값은 비료 사용과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 화학질소비료 감소에 따른 SOC, TN, C:N 변화의 전반적인 추세와 규모는 아직 결정적이지 않습니다. 여기에서 메타 분석은 중국의 다양한 작물 시스템, 토양 유형 및 기후 지역을 포괄하는 48개 현장에서 화학 질소 비료 감소에 대한 SOC, TN 및 C:N의 반응을 조사하기 위해 비교를 수행했습니다. 그 결과, 화학질소 비료 감소는 전체 데이터베이스에 걸쳐 SOC를 2.76±0.3%, TN을 4.19±0.8% 감소시켰으며, C:N을 6.11±0.9% 증가시키는 것으로 나타났습니다. 구체적으로 유기질소비료를 첨가하지 않고 화학질소를 감소시키면 SOC와 TN이 각각 3.83%, 11.46% 감소하는 반면, 유기질비료를 보충하면 SOC와 TN이 각각 4.92%, 8.33% 증가하여 유기질비료로 충당할 수 있음을 시사한다. 화학질소비료 감소로 인한 SOC, TN 손실. 중간 규모(20~30%)의 화학 질소 비료 감소는 SOC를 6.9% 향상시켰으며, 높은 수준(≥30%) 및 전체(100%)의 화학 질소 비료 감소는 SOC를 각각 3.10% 및 7.26% 크게 감소시켰습니다. 또한, SOC는 단기(1~2년) 질소비료 감축에 대해 부정적인 반응을 보인 반면, 중장기적으로 환산한 결과는 이러한 시스템 분석으로 비료 감축이 토양 유기탄소 및 질소에 미치는 영향에 대한 격차를 메워준다. 비료 사용을 줄이고 효율성을 높이는 조치를 위한 기술적 기반을 제공합니다.

비료는 작물 수확량 증가와 식량 안보, 특히 화학 질소 비료의 적용을 위한 가장 중요한 농업 관행 중 하나로 간주됩니다1,2. 토지 생산성을 높이기 위해 대량의 화학 질소 비료가 사용되었습니다3,4. 2013년까지 전 세계 질소 비료의 구성은 최대 107.6 Tg N year−1에 도달했지만 작물에 완전히 흡수될 수는 없습니다5. 그리고 화학 질소 비료의 연속적이고 상당한 적용으로 인해 토양 악화, 토양 부영양화 및 온실 효과를 비롯한 심각한 환경 문제가 발생했습니다6,7. 따라서 화학질소비료의 감소는 농업의 지속가능한 발전에 대한 전 세계의 관심을 불러일으켰습니다8,9,10.

SOC, TN 및 C:N에 대한 화학 질소 비료 감소 효과는 특정 지역에서 평가되었습니다. 예를 들어, Cheng et al.10은 Fluvo-aquic 갈색 토양의 SOC가 옥수수에 1년 후 20% 화학 질소 비료 감소 처리 시 크게 감소했다고 설명했습니다. 그러나 Ning et al.11의 연구에서는 10계절 연속 채소재배 밭에서 화학질소비료 20% 감량 후 SOC에 대해서는 유의한 차이가 없다고 밝혔다. TN의 경우, 연구에서는 다양한 질소 적용 체제에 따른 변화를 보고했습니다12. Liu 등의 연구에서는 화학질소 비료를 25% 줄인 경우 TN에 대한 유의미한 차이가 관찰되지 않았습니다.13. 그러나 지역별 차이 결과에서는 화학비료 감축 후 국가 탄소 및 질소에 대한 전반적인 영향이 명확하지 않았습니다. 화학질소 비료 감소에 따른 SOC, TN, C:N 변화의 전반적인 추세와 규모는 아직 불분명합니다. 기후 조건, 토양 유형, 농업 시스템 및 시험 기간의 차이를 고려하여 SOC, TN 및 C:N에 대한 비료 감소 반응을 평가하려면 국가 데이터가 필요합니다.

여러 연구의 결과를 비교하고 통합하기 위한 강력한 통계적 방법으로, 서로 다른 연구의 높은 가변성의 한계를 극복할 수 있는 메타분석은 임상 연구에 대한 무작위 대조 시험의 종합적인 분석에 널리 적용되고 있습니다14,15. 현재 메타분석은 토양과학 분야에 혁명적인 효과를 가져오며 큰 성과를 거두고 있다16,17. Du et al.18은 기존 경운과 비교하여 무경운이 SOC 저장에 미치는 영향을 평가하기 위해 메타 분석을 사용했으며, 중국에서는 무경운이 SOC에 미치는 영향이 지나치게 강조되었음을 발견했습니다. Xu와 Yuan19의 연구에서는 미생물 바이오매스 탄소와 질소의 반응이 실험적 온난화로 추정되었으며, 실험적 온난화가 미생물 바이오매스를 크게 증가시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 각 메타 분석은 농업 시스템에만 초점을 맞추거나 제한된 지역에서만 분석되었습니다. 따라서 화학질소비료 감축에 대한 SOC, TN, C:N 대응에 대한 전국적인 메타분석이 필요하다.

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>