As respostas do carbono orgânico do solo e do nitrogênio total à redução dos fertilizantes químicos nitrogenados baseiam-se em uma meta | Grupo Co. de sais inorgânicos de Yunnan, Ltd

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16326 (2022) Citar este artigo

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O carbono orgânico do solo (SOC), o nitrogênio total (TN) e sua proporção (C:N) desempenham papéis importantes na preservação da fertilidade do solo, e seus valores estão intimamente relacionados ao uso de fertilizantes. No entanto, a tendência global e a magnitude das mudanças no SOC, TN e C:N em resposta à redução dos fertilizantes químicos azotados permanecem inconclusivas. Aqui, a meta-análise conduziu comparações em 48 locais cobrindo vários sistemas de cultivo, tipos de solo e regiões climáticas da China para investigar as respostas de SOC, TN e C:N à redução de fertilizantes químicos de nitrogênio. Os resultados mostraram que a redução dos fertilizantes químicos nitrogenados diminuiu o SOC em 2,76 ± 0,3% e o TN em 4,19 ± 0,8%, e aumentou o C:N em 6,11 ± 0,9% em todo o banco de dados. Especificamente, a redução do nitrogênio químico sem a adição de fertilizantes orgânicos de nitrogênio reduziria o SOC e o TN em 3,83% e 11,46%, respectivamente, enquanto aumentavam o SOC e o TN em 4,92% e 8,33%, respectivamente, com a suplementação de fertilizantes orgânicos, sugerindo que os fertilizantes orgânicos poderiam cobrir o perda de SOC, TN induzida pela redução de fertilizantes químicos nitrogenados. A magnitude média (20-30%) da redução dos fertilizantes químicos azotados aumentou o SOC em 6,9%, enquanto a redução de alta magnitude (≧30%) e total (100%) dos fertilizantes químicos azotados diminuiu significativamente o SOC em 3,10% e 7,26%, respetivamente. Além disso, o SOC mostrou uma resposta negativa à redução dos fertilizantes azotados a curto prazo (1-2 anos), enquanto os resultados foram convertidos a médio e longo prazo. Esta análise do sistema preenche a lacuna sobre os efeitos da redução dos fertilizantes no carbono orgânico e no azoto do solo em escala nacional, e fornece base técnica para a ação de reduzir a aplicação de fertilizantes e aumentar a eficiência.

A fertilização é considerada uma das práticas agronómicas mais significativas para aumentar o rendimento das culturas e a segurança alimentar, especialmente para a aplicação de fertilizantes químicos azotados1,2. Grandes quantidades de fertilizantes químicos de nitrogênio têm sido empregadas para aumentar a produtividade da terra3,4. Até 2013, a composição global dos fertilizantes azotados atingiu 107,6 Tg N ano-1, mas não pode ser totalmente absorvida pelas culturas5. E a aplicação sucessiva e considerável de fertilizantes químicos azotados levou a sérios problemas ambientais, incluindo a degradação do solo, a eutrofização do solo e o efeito de estufa6,7. Portanto, a redução dos fertilizantes químicos nitrogenados tem despertado a preocupação do mundo com o desenvolvimento sustentável da agricultura8,9,10.

Os efeitos da redução de fertilizantes químicos nitrogenados no SOC, TN e C:N foram avaliados em regiões específicas. Por exemplo, Cheng et al.10 descreveram que o SOC em um solo marrom fluvo-aquático teve uma diminuição significativa sob o tratamento de 20% de redução de fertilizantes químicos de nitrogênio após um ano com milho. No entanto, o estudo de Ning et al.11 afirmou que não houve diferença significativa em relação ao SOC após redução de 20% de fertilizantes químicos nitrogenados em um campo continuamente plantado com hortaliças durante 10 temporadas. Quanto ao NT, pesquisas relataram variações sob diferentes regimes de aplicação de nitrogênio12. Nenhuma diferença significativa em relação ao NT foi observada com redução de 25% de fertilizantes químicos nitrogenados no estudo de Liu et al.13. No entanto, os resultados das diferenças específicas regionais não esclareceram o impacto global sobre o carbono e o azoto nacionais após a redução dos fertilizantes químicos. A tendência global e a magnitude das mudanças no SOC, TN e C:N em resposta à redução dos fertilizantes químicos azotados ainda não são claras. Tendo em conta as diferenças nas condições climáticas, tipos de solo, sistemas agrícolas e tempos de ensaio, são necessários dados nacionais para avaliar a resposta da redução de fertilizantes ao SOC, TN e C:N.

Como um poderoso método estatístico para comparar e integrar resultados de múltiplos estudos, a meta-análise que poderia superar a limitação da alta variabilidade de diferentes estudos tem sido amplamente aplicada para a análise abrangente de ensaios clínicos randomizados sobre pesquisas clínicas14,15. Atualmente, a meta-análise teve um efeito revolucionário no campo da ciência do solo e grandes conquistas foram adquiridas16,17. Du et al.18 empregaram uma meta-análise para avaliar os efeitos do plantio direto no armazenamento do SOC em comparação com o preparo convencional, e descobriram que as influências do plantio direto no SOC foram superenfatizadas na China. As respostas do carbono e nitrogênio da biomassa microbiana foram estimadas ao aquecimento experimental no estudo de Xu e Yuan19, e demonstraram que o aquecimento experimental aumentou significativamente a biomassa microbiana. Cada uma dessas meta-análises focou apenas no sistema agrícola ou foi analisada em uma região limitada. Portanto, é necessária uma meta-análise nacional com resposta SOC, TN e C:N à redução de fertilizantes químicos nitrogenados.

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>