Le risposte del carbonio organico del suolo e dell'azoto totale alla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati si basano su una meta

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16326 (2022) Citare questo articolo

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Il carbonio organico del suolo (SOC), l’azoto totale (TN) e il loro rapporto (C:N) svolgono un ruolo importante nel preservare la fertilità del suolo e i loro valori sono strettamente correlati all’uso dei fertilizzanti. Tuttavia, la tendenza generale e l’entità dei cambiamenti di SOC, TN e C:N in risposta alla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati rimangono inconcludenti. In questo caso, la meta-analisi ha condotto confronti in 48 siti che coprono vari sistemi di coltivazione, tipi di suolo e regioni climatiche della Cina per studiare le risposte di SOC, TN e C:N alla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati. I risultati hanno mostrato che la riduzione dei fertilizzanti chimici azotati ha ridotto il SOC del 2,76 ± 0,3% e il TN del 4,19 ± 0,8% e ha aumentato il C:N del 6,11 ± 0,9% in tutto il database. Nello specifico, la riduzione dell’azoto chimico senza l’aggiunta di fertilizzanti organici azotati ridurrebbe SOC e TN rispettivamente del 3,83% e 11,46%, mentre aumenterebbero SOC e TN rispettivamente del 4,92% e 8,33% con l’integrazione di fertilizzanti organici, suggerendo che i fertilizzanti organici potrebbero coprire il perdita di SOC, TN indotta dalla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati. La riduzione di entità media (20-30%) dei fertilizzanti chimici azotati ha aumentato il SOC del 6,9%, mentre l’entità elevata (≧30%) e la riduzione totale (100%) dei fertilizzanti chimici azotati hanno ridotto significativamente il SOC rispettivamente del 3,10% e del 7,26%. Inoltre, il SOC ha mostrato una risposta negativa alla riduzione dei fertilizzanti azotati nel breve termine (1-2 anni), mentre i risultati sono stati convertiti nel medio-lungo termine. Questa analisi del sistema colma il divario sugli effetti della riduzione dei fertilizzanti sul carbonio organico e sull'azoto del suolo. su scala nazionale e fornisce le basi tecniche per l’azione volta a ridurre l’applicazione di fertilizzanti aumentandone l’efficienza.

La fertilizzazione è considerata una delle pratiche agronomiche più significative per aumentare la resa delle colture e la sicurezza alimentare, in particolare per l'applicazione di fertilizzanti chimici azotati1,2. Grandi quantità di fertilizzanti chimici azotati sono state impiegate per aumentare la produttività del terreno3,4. Fino al 2013, la composizione globale dei fertilizzanti azotati ha raggiunto 107,6 Tg N anno−1, ma non può essere completamente assorbita dalle colture5. Inoltre, la successiva e considerevole applicazione di fertilizzanti chimici azotati ha portato a gravi problemi ambientali, tra cui il degrado del suolo, l’eutrofizzazione del suolo e l’effetto serra6,7. Pertanto, la riduzione dei fertilizzanti chimici azotati ha suscitato la preoccupazione del mondo per lo sviluppo sostenibile dell’agricoltura8,9,10.

Gli effetti della riduzione dei fertilizzanti chimici azotati su SOC, TN e C:N sono stati valutati in regioni specifiche. Ad esempio, Cheng et al.10 hanno descritto che il SOC in un terreno bruno fluvo-aquico aveva una diminuzione significativa durante il trattamento con una riduzione del 20% di fertilizzanti chimici azotati dopo un anno con mais. Tuttavia, lo studio di Ning et al.11 ha affermato che non vi era alcuna differenza significativa riguardo al SOC dopo una riduzione del 20% dei fertilizzanti chimici azotati in un campo coltivato continuamente con verdure per 10 stagioni. Per quanto riguarda il TN, le ricerche hanno riportato variazioni in base a diversi regimi di applicazione dell'azoto12. Nello studio di Liu et al.13 non è stata osservata alcuna differenza significativa riguardo al TN con una riduzione del 25% dei fertilizzanti chimici azotati. Tuttavia, i risultati delle differenze specifiche a livello regionale non hanno chiarito l’impatto complessivo sul carbonio e sull’azoto nazionali dopo la riduzione dei fertilizzanti chimici. La tendenza generale e l’entità dei cambiamenti di SOC, TN e C:N in risposta alla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati non sono ancora chiari. Tenendo conto delle differenze nelle condizioni climatiche, nei tipi di terreno, nei sistemi di coltivazione e nei tempi di prova, sono necessari dati nazionali per valutare la risposta della riduzione dei fertilizzanti a SOC, TN e C:N.

Essendo un potente metodo statistico per confrontare e integrare i risultati di più studi, la meta-analisi che potrebbe superare la limitazione dell'elevata variabilità dei diversi studi è stata ampiamente applicata per l'analisi completa di studi randomizzati controllati sulle ricerche cliniche14,15. Attualmente, la meta-analisi ha avuto un effetto rivoluzionario nel campo della scienza del suolo e sono stati raggiunti grandi risultati16,17. Du et al.18 hanno utilizzato una meta-analisi per valutare gli effetti della lavorazione no-till sullo stoccaggio del SOC rispetto alla lavorazione convenzionale e hanno scoperto che le influenze della lavorazione no-till sul SOC erano sovrastimate in Cina. Le risposte del carbonio e dell'azoto della biomassa microbica sono state stimate al riscaldamento sperimentale nello studio di Xu e Yuan19 e hanno dimostrato che il riscaldamento sperimentale ha aumentato significativamente la biomassa microbica. Ciascuna di queste meta-analisi si è concentrata solo sul sistema agricolo o è stata analizzata in una regione limitata. Pertanto, è necessaria una meta-analisi a livello nazionale con la risposta SOC, TN e C:N alla riduzione dei fertilizzanti chimici azotati.

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>