Las respuestas del carbono orgánico del suelo y el nitrógeno total a la reducción de los fertilizantes nitrogenados químicos se basan en un meta

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 16326 (2022) Citar este artículo

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El carbono orgánico del suelo (COS), el nitrógeno total (TN) y su proporción (C:N) desempeñan funciones importantes en la preservación de la fertilidad del suelo y sus valores están estrechamente relacionados con el uso de fertilizantes. Sin embargo, la tendencia general y la magnitud de los cambios en COS, TN y C:N en respuesta a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados siguen sin ser concluyentes. En este caso, el metanálisis realizó comparaciones en 48 sitios que abarcan diversos sistemas de cultivo, tipos de suelo y regiones climáticas de China para investigar las respuestas del COS, TN y C:N a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados. Los resultados mostraron que la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados disminuyó el COS en un 2,76 ± 0,3% y el TN en un 4,19 ± 0,8%, y aumentó el C:N en un 6,11 ± 0,9% en toda la base de datos. En concreto, la reducción del nitrógeno químico sin añadir fertilizantes nitrogenados orgánicos reduciría el COS y el TN en un 3,83% y un 11,46% respectivamente, mientras que aumentarían el SOC y el TN en un 4,92% y un 8,33% respectivamente con el suplemento de fertilizantes orgánicos, lo que sugiere que los fertilizantes orgánicos podrían cubrir el Pérdida de COS, TN inducida por la reducción de fertilizantes nitrogenados químicos. La reducción de magnitud media (20–30%) de los fertilizantes químicos nitrogenados mejoró el COS en un 6,9%, mientras que la reducción de magnitud alta (≧30%) y total (100%) de los fertilizantes químicos nitrogenados disminuyó significativamente el COS en un 3,10% y un 7,26% respectivamente. Además, el COS mostró una respuesta negativa a la reducción de los fertilizantes nitrogenados a corto plazo (1 a 2 años), mientras que los resultados se convirtieron a mediano y largo plazo. Este análisis del sistema llena el vacío sobre los efectos de la reducción de fertilizantes en el carbono orgánico y el nitrógeno del suelo. a escala nacional, y proporciona fundamento técnico para la acción de reducir la aplicación de fertilizantes y al mismo tiempo aumentar la eficiencia.

La fertilización se considera una de las prácticas agronómicas más importantes para aumentar el rendimiento de los cultivos y la seguridad alimentaria, especialmente para la aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados1,2. Se han empleado grandes cantidades de fertilizantes químicos nitrogenados para aumentar la productividad de la tierra3,4. Hasta 2013, la composición global de los fertilizantes nitrogenados alcanzó hasta 107,6 Tg N año-1, pero los cultivos no pueden absorberlos completamente5. Y la sucesiva y considerable aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados ha provocado graves problemas medioambientales, como la degradación del suelo, la eutrofización del suelo y el efecto invernadero6,7. Por tanto, la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados ha despertado la preocupación del mundo por el desarrollo sostenible de la agricultura8,9,10.

Los efectos de la reducción de los fertilizantes nitrogenados químicos sobre el COS, el TN y el C:N se han evaluado en regiones específicas. Por ejemplo, Cheng et al.10 describieron que el COS en un suelo pardo fluvoacuico tuvo una disminución significativa bajo el tratamiento de reducción del 20% de fertilizantes químicos nitrogenados después de un año con maíz. Sin embargo, el estudio de Ning et al.11 afirmó que no hubo diferencias significativas en el COS después de una reducción del 20 % de los fertilizantes químicos nitrogenados en un campo plantado continuamente con hortalizas durante 10 estaciones. En cuanto al TN, investigaciones han reportado variaciones bajo diferentes regímenes de aplicación de nitrógeno12. No se observó ninguna diferencia significativa en cuanto al NT con una reducción del 25% de los fertilizantes químicos nitrogenados en el estudio de Liu et al.13. Sin embargo, los resultados de las diferencias regionales específicas no aclararon el impacto general sobre el carbono y el nitrógeno a nivel nacional después de la reducción de los fertilizantes químicos. La tendencia general y la magnitud de los cambios en COS, TN y C:N en respuesta a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados aún no están claras. Teniendo en cuenta las diferencias en las condiciones climáticas, los tipos de suelo, los sistemas agrícolas y los tiempos de prueba, se necesitan datos nacionales para evaluar la respuesta de la reducción de fertilizantes al COS, TN y C:N.

Como método estadístico poderoso para comparar e integrar resultados de múltiples estudios, el metanálisis, que podría superar la limitación de la alta variabilidad de los diferentes estudios, se ha aplicado ampliamente para el análisis integral de ensayos controlados aleatorios sobre investigaciones clínicas14,15. Actualmente, el metanálisis ha tenido un efecto revolucionario en el campo de la ciencia del suelo y se han adquirido grandes logros16,17. Du et al.18 emplearon un metanálisis para evaluar los efectos de la labranza cero sobre el almacenamiento de COS en comparación con la labranza convencional, y descubrieron que en China se exageraba la influencia de la labranza cero sobre el COS. Las respuestas del carbono y el nitrógeno de la biomasa microbiana se estimaron al calentamiento experimental en el estudio de Xu y Yuan19, y demostraron que el calentamiento experimental aumentaba significativamente la biomasa microbiana. Cada uno de estos metanálisis solo se centró en el sistema agrícola o se analizó en una región limitada. Por lo tanto, es necesario un metanálisis a nivel nacional con la respuesta de COS, TN y C:N a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados.

En este estudio, el metanálisis se estableció para evaluar los cambios relativos en COS, TN y C:N basándose en 295 comparaciones entre tratamientos de reducción de fertilizantes químicos nitrogenados y tratamientos convencionales de 48 sitios que cubren diversos sistemas de cultivo, tipos de suelo y regiones climáticas. de China. Los objetivos de este estudio fueron (i) explorar la tendencia general y la magnitud de los cambios en COS, TN y C:N en respuesta a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados; (ii) aclarar la respuesta de COS, TN y C:N a diferentes subcategorías que incluyen: patrón de reducción, duración del experimento, magnitud de la reducción, uso del suelo; e (iii) identificar las relaciones entre los factores ambientales y la respuesta de SOC, TN y C:N.

Los resultados mostraron que la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados disminuyó significativamente el COS y el TN en un 2,76 % y un 4,19 % respectivamente, mientras que aumentó el C:N en un 6,11 % en toda la base de datos (Fig. 1). El COS se deriva principalmente de residuos y secreciones de cultivos que están estrechamente relacionados con el crecimiento de los cultivos, y el crecimiento de los cultivos se vio afectado por la fertilización, especialmente la fertilización con nitrógeno20,21. La reducción del uso de fertilizantes químicos nitrogenados provocó un crecimiento deficiente de los cultivos, lo que redujo la cantidad de residuos de cultivos retornados y luego disminuyó el COS. De manera similar, el TN de los cultivos se redujo debido al pobre crecimiento de los mismos. Además, la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados redujo directamente el aporte de nitrógeno al suelo. El aumento de C:N fue el resultado de que la disminución de TN fue mayor que la de SOC. Las respuestas de C:N a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados mejoraron la comprensión de la relación de pareja entre SOC y TN, lo que fue beneficioso para la evolución de los modelos de acoplamiento de CN. Además, la precisión de los modelos de acoplamiento de CN depende de la cuantificación precisa de las respuestas de SOC y TN a la fertilización con nitrógeno. Y nuestros resultados cuantificaron con precisión las diferentes respuestas de SOC y TN a diferentes regímenes de fertilización con nitrógeno, optimizando así los modelos de acoplamiento de CN.

La relación de respuesta ponderada (RR++) para las respuestas a los fertilizantes nitrogenados químicos del carbono orgánico del suelo (SOC, a), el nitrógeno total (TN, b) y sus relaciones (C:N, c). Las barras indican la tasa de respuesta media general RR++ y los intervalos de confianza (IC) del 95%. La estrella (*) indica significancia cuando los IC del 95% no cruzan la línea cero. Las líneas verticales se dibujan en lnRR = 0. El valor representa el tamaño de muestra independiente.

Cuando se agruparon por magnitud de reducción de fertilizantes nitrogenados químicos, el COS mostró un aumento significativo del 6,9% en magnitud media, mientras que el COS disminuyó significativamente en 3,10% y 7,26% en magnitud alta y total, respectivamente (Fig. 1a). Liu y Greaver22 también afirmaron que la reducción del fertilizante medio nitrogenado aumentó la biomasa microbiana promedio del 15 al 20 %, aumentando así el contenido de COS. Estudios anteriores habían informado que existían fuertes correlaciones positivas entre la materia orgánica del suelo y la biomasa microbiana del suelo tanto en el ecosistema agrícola como en el ecosistema natural23,24. Numerosos investigadores han demostrado la importancia de la disponibilidad de nitrógeno en el suelo para la biomasa vegetal en la mayoría de los ecosistemas25,26. Además, la deficiencia de nitrógeno inhibiría la actividad de las enzimas extracelulares y la actividad de las raíces27. En general, la degradación del suelo causada por el aumento continuo de la aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados puede inhibir el crecimiento de los cultivos y, en última instancia, reducir el COS28.

TN no mostró diferencias significativas en la magnitud de reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados bajos y medios (p > 0,05), mientras que TN en la magnitud de reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados de alta y total magnitud exhibió una disminución de 3,10% y 9,37% respectivamente (Fig. 1b). Numerosos estudios describieron que la cantidad de fertilizantes nitrogenados utilizados en China era mayor que la demanda de N para los cultivos, lo que provocó una grave lixiviación y escorrentía de N29,30. Los fertilizantes químicos nitrogenados en magnitud baja y media no disminuirían el TN del suelo al reducir la lixiviación y la escorrentía de N. Sin embargo, el nitrógeno residual en el suelo no puede satisfacer los requisitos para el crecimiento sostenible de las plantas con hojarasca o sin suplemento de nitrógeno exógeno, lo que resultó en la disminución del TN en la magnitud alta y total de los fertilizantes nitrogenados químicos. En consecuencia, las tasas óptimas de aplicación de fertilizantes nitrogenados tendrán en cuenta el rendimiento de los cultivos y el respeto al medio ambiente.

Además, C: N tuvo un aumento significativo con un rango de 1,82% a 8,98% bajo la magnitud de reducción de los cuatro fertilizantes nitrogenados químicos (Fig. 1c), lo que sugiere un aumento relativo de COS en comparación con TN. Estudios anteriores han revelado que C:N tuvo una influencia significativa en las estructuras de la comunidad bacteriana del suelo31. Y también hubo estudios considerables que indicaron que los fertilizantes químicos nitrogenados tienen un impacto en las comunidades bacterianas del suelo32,33. Podemos especular que el cambio de C:N provocaría variaciones en las comunidades de bacterias del suelo bajo los regímenes de fertilizantes químicos nitrogenados.

En nuestro estudio se observó una respuesta negativa del COS a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a corto plazo, lo que fue consistente con el estudio de Gong, et al.34 de que la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados disminuyó el COS al reducir el carbono derivado de los cultivos en un año. Sin embargo, el COS aumentó significativamente en un 1,06% y un 4,65% con la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a mediano y largo plazo, respectivamente, lo cual fue similar a los hallazgos de Ning et al.11 de que el COS aumentó significativamente en más de 5 años de uso. Tratamiento de reducción de fertilizantes químicos nitrogenados. El TN disminuyó significativamente en un 1,96% con la duración de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a corto plazo, mientras que los resultados se convirtieron con la duración de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a medio plazo. El efecto de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a largo plazo sobre la NT no fue significativo (p > 0,05). La respuesta divergente del TN a diferentes duraciones de los fertilizantes químicos nitrogenados fue causada principalmente por los distintos tratamientos. En términos de C:N, se observó una mayor respuesta positiva en la duración de los fertilizantes químicos nitrogenados de corto plazo (9,06%) que en la duración de mediano y largo plazo (1,99%). Además, con la prolongación del tiempo de reducción química del nitrógeno, la relación de respuesta tiende a cero, lo que sugiere que el efecto de los fertilizantes químicos disminuye gradualmente. Esto puede atribuirse a la capacidad amortiguadora del suelo para resistir los cambios del ambiente externo, incluidos nutrientes, contaminantes y sustancias redox35.

Bajo el patrón de reducción de fertilizantes nitrogenados químicos sin suplementos de fertilizantes orgánicos, el COS y TN disminuyeron significativamente en un 3,83% y un 11,46% respectivamente; sin embargo, la reducción de los fertilizantes nitrogenados químicos con suplementos de fertilizantes orgánicos aumentó significativamente el SOC y TN en un 4,92% y 8,33% respectivamente. Además, C:N aumentó significativamente bajo los dos patrones de fertilizantes químicos nitrogenados (p <0,05) (Fig. 1). Para analizar más a fondo la importancia de la aplicación de fertilizantes orgánicos en COS, TN y C:N, la base de datos total se dividió en dos categorías, incluida la duración de la reducción y la magnitud de la reducción de cada patrón. Y las respuestas SOC, TN y C:N bajo los dos patrones de fertilizantes nitrogenados químicos de cada categoría se muestran en la Fig. 2. En el patrón de fertilizantes nitrogenados químicos sin suplemento de fertilizantes orgánicos, la magnitud baja y media de los fertilizantes nitrogenados químicos no tuvo influyó significativamente en la respuesta del SOC (p > 0.05), pero hubo un efecto negativo sobre el SOC en magnitud alta y total (p < 0.05). En términos de duración de la reducción de fertilizantes químicos, la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados disminuyó el COS en un 3,8% y 4,2% a corto y largo plazo respectivamente, mientras que el COS no mostró una disminución significativa a medio plazo (p > 0,05). La disminución no significativa en la duración a mediano plazo podría deberse a la información limitada reportada en los estudios originales de este metanálisis36. TN no mostró respuesta significativa a los fertilizantes químicos nitrogenados sin suplemento de fertilizantes orgánicos en la magnitud baja y media (p > 0,05). Sin embargo, el TN disminuyó significativamente en un 8,62% y un 16,7% respectivamente en la magnitud alta y total. En cuanto a la duración de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados, el TN se redujo significativamente en todas las categorías, oscilando entre 3,13% y 13,4% (Fig. 2c). En el patrón de reducción de fertilizantes químicos nitrogenados con suplementos de fertilizantes orgánicos, la reducción de fertilizantes químicos nitrogenados en magnitudes media, alta y total aumentó significativamente el COS en un 13,85%, 13,03% y 5,46% respectivamente; sin embargo, la respuesta del COS en el nivel bajo de químicos La magnitud de los fertilizantes nitrogenados no fue significativa. La duración de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados aumentó significativamente el COS en un 7,01%, 1,71% y 22,02% a corto, mediano y largo plazo, respectivamente. Comparativamente, TN mostró un aumento significativo en la mayoría de las categorías de fertilizantes químicos nitrogenados esperados para la duración de los fertilizantes químicos nitrogenados a largo plazo, con un aumento del 4,90% al 14,69% (Fig. 2d).

La relación de respuesta ponderada (RR++) para las respuestas a los fertilizantes nitrogenados químicos del carbono orgánico del suelo (SOC, a), del nitrógeno total (TN, b) y sus relaciones (C:N, c) bajo los dos patrones (con fertilizantes orgánicos ; sin abonos orgánicos). Las barras indican la tasa de respuesta media general RR++ y los intervalos de confianza (IC) del 95%. La estrella (*) indica significancia cuando los IC del 95% no cruzan la línea cero. Las líneas verticales se dibujan en lnRR = 0. Los valores representan un tamaño de muestra independiente.

Los fertilizantes orgánicos se derivaban principalmente de estiércol animal o paja de cultivos, que contenían gran cantidad de materia orgánica y elementos nitrogenados37,38. La aplicación de fertilizantes orgánicos incrementó directamente el aporte de COS y TN. Además, los fertilizantes orgánicos podrían promover el crecimiento de los cultivos al liberar fenoles, vitaminas, enzimas, auxinas y otras sustancias durante el proceso de descomposición, por lo que se incrementaría el COS derivado de los cultivos37,39. Además, los fertilizantes orgánicos aportan diversos nutrientes para la reproducción microbiana, que aumentan la población microbiana y el contenido de carbono orgánico y nitrógeno total37. Más importante aún, la aplicación de fertilizantes orgánicos podría mejorar el secuestro de carbono orgánico y mantener su estabilidad en los agregados, reduciendo así las pérdidas de COS y TN40.

C:N mostró un aumento bajo toda la reducción de fertilizantes nitrogenados químicos con suplemento de fertilizante orgánico. La respuesta positiva del C:N al suplemento de fertilizante orgánico puede estar relacionada con el mayor C:N del fertilizante orgánico que el del suelo. Los valores promedio de C:N de los fertilizantes orgánicos comúnmente utilizados, incluido el estiércol animal, la paja de los cultivos y el biocarbón, fueron 14, 60 y 30 respectivamente, mientras que el C:N del suelo fue inferior a 10 en promedio, según una extensa investigación bibliográfica41. Por tanto, los fertilizantes orgánicos serían una alternativa favorable a los fertilizantes químicos para el desarrollo sostenible de la agricultura.

El análisis de regresión lineal se realizó para analizar las variables ambientales que incluyen temperatura media anual (MAT), precipitación media anual (MAP), temperatura acumulada superior a 10 °C (MATA), que pueden ejercer influencia sobre SOC, TN y C:N. No se observó una correlación significativa entre el lnRR de SOC, TN, C: N y las variables ambientales en toda la base de datos (p > 0,05; Fig. S1). Descartando la interferencia del suplemento de fertilizantes orgánicos, analizamos la relación entre lnRR de SOC, TN, C:N y variables ambientales como lo muestran las Figuras en las Figs. 3 y 4 respectivamente. Con fertilizantes químicos nitrogenados sin suplemento de fertilizantes orgánicos, hubo una correlación negativa significativa entre el lnRR de SOC y MAT (p <0,05, Fig. 3a) y una correlación positiva entre el lnRR de TN y MATA (p <0,05, Fig. 3h). Sin embargo, no existe una relación significativa entre el lnRR de C:N y MAT, MAP y MATA (p > 0,05). Aparte de la correlación negativa significativa entre el lnRR de SOC y MAT (p <0,05, Fig. 4b) y la correlación positiva significativa entre el lnRR de C:N y MAT (p <0,05, Fig. 4c), no se encontraron otras correlaciones significativas. encontrado entre el lnRR de COS, TN, C:N y variables ambientales bajo el patrón de fertilizantes nitrogenados químicos con suplemento de fertilizantes orgánicos (p > 0.05, Fig. 4). La relación negativa entre MAT y los efectos de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados se atribuyó principalmente a la alta tasa de descomposición de la materia orgánica del suelo en condiciones de alta temperatura42,43. MATA es un requisito necesario para el crecimiento de los cultivos, y MATA podría reflejar con precisión el estado de crecimiento de los cultivos44,45. Aunque la correlación no demostró la causalidad, estos hallazgos sugirieron que MATA tuvo un efecto significativo sobre el nitrógeno de los cultivos.

Relación entre la temperatura media anual (MAT), la precipitación media anual (MAP), la temperatura acumulada por encima de 10 ℃ (MATA) y el logaritmo natural de la relación de respuesta (lnRR) del carbono orgánico del suelo (SOC), el nitrógeno total (TN) y la relación de SOC a TN (C:N). La línea continua negra muestra la relación entre el lnRR de SOC, TN, C:N y las variables ambientales de todas las bases de datos de fertilizantes nitrogenados químicos sin suplemento de fertilizantes orgánicos.

Relación entre la temperatura media anual (MAT), la precipitación media anual (MAP), la temperatura acumulada superior a 10 °C (MATA) y el logaritmo natural de la relación de respuesta (lnRR) del carbono orgánico del suelo (SOC), el nitrógeno total (TN), y la relación de SOC a TN (C:N). La línea continua negra muestra la relación entre el lnRR de SOC, TN, C:N y las variables ambientales de todas las bases de datos de fertilizantes nitrogenados químicos con suplemento de fertilizantes orgánicos.

Nuestro metanálisis indicó que tanto el COS como el TN mostraron respuestas negativas a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados. Bajo magnitud baja y media de reducción de fertilizantes químicos nitrogenados, el COS y el TN mostraron respuestas diferentes; sin embargo, el COS y el TN mostraron una respuesta significativamente negativa a la magnitud alta y total. SOC y TN mostraron una respuesta negativa a la duración de la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados a corto plazo, mientras que los resultados se convirtieron a medio plazo. Vale la pena señalar que la aplicación de fertilizantes orgánicos aumenta el COS y el TN. Excepto por la reducción química de nitrógeno a largo plazo, C:N mostró respuestas positivas en todas las categorías. Estos hallazgos indicaron que la respuesta de COS y TN a la reducción química de nitrógeno no fue constante y estuvo influenciada por la magnitud, la duración y los patrones de la reducción. Aún se necesitan más estudios para confirmar los efectos de la fertilización en las propiedades físicas y químicas del suelo basándose en más casos experimentales de campo.

Revisamos artículos de revistas publicados entre 2000 y 2019, que se concentraron en las respuestas del COS y TN del suelo a los fertilizantes nitrogenados químicos en China mediante búsquedas en varias bases de datos, incluidas Science Direct, Web of Science, Springer Link y China Knowledge Resource Integrated Database, etc. Los términos de búsqueda se incorporaron con “fertilizantes nitrogenados”, “reducción de nitrógeno”, “tasa de nitrógeno”, “y carbono orgánico del suelo”, “materia orgánica del suelo”, “nitrógeno total”. Los datos se seleccionaron mediante un procedimiento de recuperación de información, de la siguiente manera: (i) las investigaciones se realizaron con comparaciones lado a lado de los grupos de control y tratamiento; (ii) las mediciones se implementaron en condiciones de campo con al menos un año completo; (iii) se informaron o pudieron calcularse las medias, las desviaciones estándar (DE) y los tamaños de muestra de SOC, TN y C:N. Si se informó SOM, el SOC se calculó mediante la ecuación (SOC = SOM × 0,58); Si se proporcionó el error estándar (SE) en el artículo, la DE se calculó como:

donde n era el número de réplicas.

Asignamos que la DE era 1/10 de la media en los casos en los que no se informaron EE ni DE46. (iv) las variables de los fertilizantes químicos nitrogenados (patrones de reducción, magnitud de la reducción, duración de la reducción y uso del suelo) deben describirse detalladamente en las investigaciones. Si los resultados reportados incluyeron una capa más de suelo, en la presente investigación solo se seleccionó la capa más superior.

Para cada artículo seleccionado, registramos las medias de SOC, TN y C:N de los grupos de control y tratamiento, respectivamente. En el caso de visualizar datos gráficamente se aplicó GetData Graph Digitizador versión 2.24 para digitalizar los datos. Además, también se extrajeron las características de los sitios de estudio, incluida la ubicación, la textura del suelo, la duración del experimento, la precipitación anual, la temperatura media anual, la temperatura acumulada superior a 10 °C y los tipos de cultivos.

Después del procedimiento de filtrado (Fig. 5), en el presente estudio se seleccionaron 36 artículos publicados que consistían en artículos revisados ​​por pares y disertaciones de 48 sitios en China. La distribución de los sitios experimentales que van desde 85,6 ° E a 126,4 ° E y 26,7 ° N a 49,2 ° N se presentó en la Fig. 6 y la información detallada se enumeró en los materiales complementarios (Tabla S1). La base de datos cubría grandes rangos de temperatura media anual (de -0,1 °C a 22,4 °C), precipitación media anual (de 158 a 1700 mm) y temperatura acumulada superior a 10 °C (de 2239 °C a 6539 °C) ( Tabla S1). Los cultivos plantados en los sitios experimentales incluyen maíz, trigo, arroz y algodón. La duración del experimento osciló entre 1 y 37 años, incluidas 147 comparaciones pareadas en 1 a 2 años, 94 comparaciones en 3 a 4 años y 41 comparaciones en más de 5 años.

Diagrama de flujo del presente estudio.

Mapa de distribución espacial de sitios de experimentos de campo con fertilizantes químicos nitrogenados en China.

Para explorar más a fondo las variaciones de COS y TN inducidas por la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados, todos los datos experimentales se dividieron en diferentes subcategorías (i) textura del suelo (arenoso, franco, arcilloso); (ii) duración experimental (duración experimental a corto plazo (1 a 2 años), duración experimental a mediano plazo (3 a 4 años) y duración experimental a largo plazo (≥ 5 años); (iii) magnitud de reducción magnitud de reducción baja (≦20%), magnitud de reducción media (20%-30%), magnitud de reducción alta (≧30%), y reducción de fertilizantes químicos con nitrógeno total o ninguna aplicación de fertilizantes químicos con nitrógeno (100%); (iv) patrón de reducción (sin suplemento de abonos orgánicos, con suplemento de abonos orgánicos).

El índice de respuestas (RR) es un índice utilizado para evaluar los efectos experimentales en cada variable47,48. Para una variable determinada, el RR se determina como la relación entre el valor medio del grupo de tratamiento (Mt) y el del grupo de control (Mc). La fórmula de cálculo de RR fue la siguiente:

donde Mt y Mc representan los valores medios de los grupos de tratamiento y control, respectivamente.

El lnRR es el logaritmo natural de RR. Indica un efecto positivo de los fertilizantes nitrogenados químicos sobre la variable si el valor de lnRR es superior a 0, sin embargo, se exhibe un efecto negativo de los fertilizantes nitrogenados químicos cuando lnRR es inferior a 0. El lnRR se estimó como:

La varianza (V) se calculó mediante:

donde nt y nc representan los tamaños de muestra de los grupos de tratamiento y control, respectivamente, y SDt y SDc representan la DE de los grupos de control y reducción de fertilizantes químicos nitrogenados, respectivamente.

Además, el factor ponderado (Wij), el índice de respuestas ponderado (RR++), los errores estándar de RR++ (S(RR++)) y el intervalo de confianza del 95% (IC del 95%) se calcularon mediante:

En este artículo, RR++ se describió como RR++ × 100%.

Las respuestas de la variable a la reducción de los fertilizantes químicos nitrogenados difieren significativamente del control en determinadas categorías (es decir, duración del experimento, magnitud de la reducción, patrón de reducción y uso del suelo) si el valor de IC del 95% de RR++ para una variable determinada no cubre cero.

Se supuso que las distribuciones de frecuencia de lnRR seguían distribuciones normales y se ajustaron mediante una función gaussiana (es decir, distribución normal).

donde y es el número de valores de lnRR, a es un coeficiente que muestra el número esperado de valores de lnRR en x = μ, y x y μ son la media y la varianza de las distribuciones de frecuencia de lnRR, respectivamente.

Yan, X. & Gong, W. El papel de los fertilizantes químicos y orgánicos en el rendimiento, la variabilidad del rendimiento y el secuestro de carbono: resultados de un experimento de 19 años. Suelo vegetal 331, 471–480. https://doi.org/10.1007/s11104-009-0268-7 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Maltas, A., Charles, R., Jeangros, B. & Sinaj, S. Efecto de los fertilizantes orgánicos y la labranza reducida sobre las propiedades del suelo, la respuesta al nitrógeno de los cultivos y el rendimiento de los cultivos: resultados de un experimento de 12 años en Changins, Suiza. Labranza del suelo Res. 126, 11-18. https://doi.org/10.1016/j.still.2012.07.012 (2013).

Artículo de Google Scholar

Kumar, D. & Singh, A. Eficacia del humato de potasio y fertilizantes químicos sobre los patrones de rendimiento y disponibilidad de nutrientes en el suelo en diferentes etapas de crecimiento del arroz. Comunitario. Ciencia del suelo. Planta 48, 245–261. https://doi.org/10.1080/00103624.2016.1261884 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Sharma, M., Sharma, R. & Sepehya, S. Efecto de una aplicación de enmiendas y fertilizantes químicos durante una década sobre las fracciones de potasio y el rendimiento de maíz y trigo en un alfisol ácido. Comunitario. Ciencia del suelo. Planta 49, 1869–1879. https://doi.org/10.1080/00103624.2018.1479416 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, B. y col. Metaanálisis de los cambios inducidos por la gestión en la eficiencia del uso del nitrógeno del trigo de invierno en la llanura del norte de China. J. Limpio. Pinchar. 251, 119632. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119632 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Liang, L. y col. La aplicación excesiva de fertilizantes de nitrógeno y fósforo induce la acidificación del suelo y el enriquecimiento de fósforo durante la producción de hortalizas en el delta del río Yangtze, China. Manejo del Uso del Suelo. 29, 161–168. https://doi.org/10.1111/sum.12035 (2013).

Artículo de Google Scholar

Ju, X., Kou, C., Christie, P., Dou, Z. y Zhang, F. Cambios en el entorno del suelo desde la aplicación excesiva de fertilizantes y estiércol a dos sistemas de cultivo intensivo contrastantes en la llanura del norte de China. Reinar. Contaminación. 145, 497–506. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2006.04.017 (2007).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Karatay, Y. & Meyer-Aurich, A. Un enfoque modelo para la estimación de costos específicos de la zona de rendimiento de la mitigación de gases de efecto invernadero mediante la reducción de fertilizantes nitrogenados. Sostenibilidad 10(3), 710. https://doi.org/10.3390/su10030710 (2018).

Artículo de Google Scholar

Thodsen, H., Andersen, H., Blicher-Mathiesen, G. & Trolle, D. Los efectos combinados de la reducción de fertilizantes en áreas de alto riesgo y el aumento de la fertilización en áreas de bajo riesgo, investigados utilizando el modelo SWAT para una cuenca danesa. Acta Agr Scand. BSP 65, 217-227 (2015).

Google Académico

Cheng, N., Peng, Y., Kong, Y., Li, J. & Sun, C. Efectos combinados de la adición de biocarbón y la reducción de fertilizantes nitrogenados en la metabolómica de la rizosfera de las plántulas de maíz (Zea mays L.). Suelo vegetal 433, 19–35. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3811-6 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Ning, C. y col. Impactos de la reducción de fertilizantes químicos y la suplementación con enmiendas orgánicas sobre los nutrientes del suelo, la actividad enzimática y el contenido de metales pesados. J. Integral. Agr. 16, 1819–1831. https://doi.org/10.1016/s2095-3119(16)61476-4 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Compton, J. & Boone, R. Transformaciones del nitrógeno del suelo y el papel de la materia orgánica de fracción ligera en suelos forestales. Biol del suelo. Bioquímica. 34, 933–943. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(02)00025-1 (2002).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, Z. y col. Respuestas del carbono del suelo, el nitrógeno y la productividad del trigo y el maíz a 10 años de disminución del fertilizante nitrogenado en sistemas de labranza contrastantes. Labranza del suelo Res. 196, 104444. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104444 (2020).

Artículo de Google Scholar

Dagan, O., Facompre, C. y Bernard, K. Representaciones de apego en adultos y síntomas depresivos: un metanálisis. J. Afecto. Desorden. 236, 274–290. https://doi.org/10.1016/j.jad.2018.04.091 (2018).

Artículo PubMed Google Scholar

Ssegonja, R. et al. Intervenciones preventivas indicadas para la depresión en niños y adolescentes: un metanálisis y una metarregresión. Anterior. Medicina. 118, 7-15. https://doi.org/10.1016/j.ypmed.2018.09.021 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Maillard, E. & Angers, D. Aplicación de estiércol animal y reservas de carbono orgánico del suelo: un metanálisis. Globo. Chang. Biol. 20, 666–679. https://doi.org/10.1111/gcb.12438 (2014).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Jeffery, S., Verheijen, F., Kammann, C. y Abalos, D. Efectos del biocarbón en las emisiones de metano de los suelos: un metanálisis. Biol del suelo. Bioquímica. 101, 251–258. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.07.021 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Du, Z., Angers, D., Ren, T., Zhang, Q. y Li, G. No se debe exagerar el efecto de la labranza cero sobre el almacenamiento de C orgánico en suelos chinos: un metanálisis. Agrícola. Ecosistema. Reinar. 236, 1–11. https://doi.org/10.1016/j.agee.2016.11.007 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, W. & Yuan, W. Respuestas del carbono y el nitrógeno de la biomasa microbiana al calentamiento experimental: un metanálisis. Biol del suelo. Bioquímica. 115, 265–274. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.08.033 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Zahoor, et al. La sacarificación de la biomasa se mejora en gran medida al alterar las características de la pared del polímero y reducir la acumulación de silicio en cultivares de arroz cosechados a partir del suministro de fertilizantes nitrogenados. Biorrecurso. Tecnología. 243, 957–965. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.07.057 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Congreves, K., Hooker, D., Hayes, A., Verhallen, E. y Van, E. Interacción de la aplicación de fertilizantes nitrogenados a largo plazo, la rotación de cultivos y el sistema de labranza en la dinámica del carbono y el nitrógeno del suelo. Suelo vegetal 410, 113–127. https://doi.org/10.1007/s11104-016-2986-y (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, L. & Greaver, T. Una perspectiva global sobre la dinámica del carbono subterráneo bajo enriquecimiento de nitrógeno. Ecológico. Letón. 13, 819–828. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2010.01482.x (2010).

Artículo PubMed Google Scholar

Geisseler, D. & Scow, K. Efectos a largo plazo de los fertilizantes minerales en los microorganismos del suelo: una revisión. Biol del suelo. Bioquímica. 75, 54–63. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2014.03.023 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Ladha, J., Reddy, C., Padre, A. y Van, K. Papel de la fertilización con nitrógeno en el mantenimiento de la materia orgánica en suelos cultivados. J. Medio Ambiente. Cual. 40, 1756–1766. https://doi.org/10.2134/jeq2011.0064 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Cao, X. y col. Mejora de la tolerancia a la sequía de las plántulas de arroz mediada por nutrición con nitrógeno mixto asociada con la fotosíntesis, el equilibrio hormonal y la partición de carbohidratos. Regulación del crecimiento vegetal. 84, 451–465. https://doi.org/10.1007/s10725-017-0352-6 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Zhong, C. y col. El metabolismo del nitrógeno se correlaciona con la aclimatación de la fotosíntesis al estrés hídrico a corto plazo en el arroz (Oryza sativa L.). Fisiol vegetal. Bioquímica. 125, 52–62. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.01.024 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Tu, Li. et al. La adición de nitrógeno estimula diferentes componentes de la respiración del suelo en un ecosistema de bambú subtropical. Biol del suelo. Bioquímica. 58, 255–264. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.12.005 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, J. y col. Exploración del riego óptimo y la fertilización con nitrógeno en un sistema de rotación de trigo de invierno y maíz de verano para mejorar el rendimiento de los cultivos y reducir la lixiviación de agua y nitrógeno. Agrícola. Gestión del agua. 228, 105904. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2019.105904 (2020).

Artículo de Google Scholar

Xu, Y. et al. Comportamiento agronómico del arroz tardío bajo diferentes manejos de labranza, paja y nitrógeno. Res. de cultivos extensivos. 115, 79–84. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2009.10.005 (2010).

Artículo de Google Scholar

Li, Y., Liu, H. & Huang, G. El efecto de las tasas de nitrógeno en los rendimientos y la eficiencia del uso de nitrógeno durante cuatro años de temporadas de cultivos de rotación de trigo y maíz. Agrón. J. 108, 2076–2088. https://doi.org/10.2134/agronj2015.0610 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, X. y col. La relación carbono/nitrógeno del suelo y la humedad afectan las estructuras de la comunidad microbiana en suelos alcalinos afectados por el permafrost con diferentes tipos de vegetación en la meseta tibetana. Res. Microbiol. 165, 128-139. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2014.01.002 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chen, D., Yuan, L., Liu, Y., Ji, J. & Hou, H. La aplicación a largo plazo de estiércol más fertilizantes químicos mantuvo un alto rendimiento de arroz y mejoró las propiedades químicas y bacterianas del suelo. EUR. J. Agrón. 90, 34–42. https://doi.org/10.1016/j.eja.2017.07.007 (2017).

Artículo de Google Scholar

Ai, C. y col. Respuestas distintas de las comunidades de bacterias y hongos del suelo a los cambios en el régimen de fertilización y la rotación de cultivos. Geoderma 319, 156–166. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.01.010 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Gong, W., Yan, X. & Wang, J. El efecto de los fertilizantes químicos en la renovación del carbono orgánico del suelo y la emisión de CO2: un experimento en macetas con maíz. Suelo vegetal 353, 85–94. https://doi.org/10.1007/s11104-011-1011-8 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Características amortiguadoras ácido-base de suelos no calcáreos: correlación con propiedades fisicoquímicas y constantes de complejación superficial. Geoderma 360, 114005. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114005 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, S. y col. Influencias del método de observación, la estación, la profundidad del suelo, el uso de la tierra y las prácticas de gestión en las concentraciones de carbono orgánico soluble en el suelo: un metanálisis. Ciencia. Medio ambiente total. 631–632, 105–114. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.238 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, H. y col. Efectos de la aplicación a largo plazo de fertilizantes orgánicos para mejorar el contenido de materia orgánica y retardar la acidez en suelos rojos de China. Labranza del suelo Res. 195, 104382. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104382 (2019).

Artículo de Google Scholar

Lu, H. y col. Efecto del propósito del cultivo de cereales y el tamaño de la finca sobre la capacidad de los derechos estables de propiedad de la tierra para alentar a los agricultores a aplicar fertilizantes orgánicos. J. Medio Ambiente. Gestionar 251, 109621. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109621 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Li, Y. et al. La enmienda de fertilizantes orgánicos aumenta la acumulación de metilmercurio en las plantas de arroz. Quimiosfera 249, 126166. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126166 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhao, Z., Zhang, C., Zhang, J., Liu, C. y Wu, Q. Impactos de los fertilizantes en la agregación del suelo y los componentes orgánicos asociados a los agregados. Entorno del suelo vegetal. 64, 338–343 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Dai, H., Chen, Y., Yang, X., Cui, J. y Sui, P. El efecto de la enmienda de diferentes materiales orgánicos en las comunidades de bacterias del suelo en suelos franco arenosos áridos. Reinar. Ciencia. Contaminación. Res. En t. 24, 24019–24028. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0031-1 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Dash, P., Bhattacharyya, P., Roy, K., Neogi, S. y Nayak, A. Sensibilidad de las limitaciones ambientales de la descomposición del carbono orgánico del suelo a la temperatura, las prácticas de gestión y el cambio climático. Ecológico. Índico. 107, 105644. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2019.105644 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Sun, Y., Yu, X. & Huang, S. La enmienda orgánica a largo plazo reduce la sensibilidad a la temperatura de la descomposición del carbono orgánico en un suelo de tierras altas de la China subtropical. Acta Ecológica. Pecado. 39, 185–189. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2018.12.003 (2019).

Artículo de Google Scholar

Wang, Q. y col. Efectos del rendimiento y la calidad del arroz en la zona de temperatura acumulada de siembra en zonas frías. J. Agricultura del Noreste. Universidad. 22, 1–7. https://doi.org/10.1016/S1006-8104(15)30025-8 (2015).

Artículo de Google Scholar

Jin, Y. et al. Relación entre temperatura acumulada y calidad del arroz. Enterrar. J. Proposición de alimentos 22, 19–33. https://doi.org/10.1080/10942912.2019.1566241 (2019).

Artículo de Google Scholar

Luo, Y., Hui, D. & Zhang, D. El CO2 elevado estimula acumulaciones netas de carbono y nitrógeno en los ecosistemas terrestres: un metanálisis. Ecología 87, 53–63. https://doi.org/10.1890/04-1724 (2006).

Artículo PubMed Google Scholar

Manoza, F. et al. Potencial del uso de fertilizantes resistentes a plantas hospedantes, nitrógeno y fósforo para reducir la colonización por Aspergillus flavus y la acumulación de aflatoxinas en el maíz en Tanzania. Prot. de cultivos. 93, 98-105. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2016.11.021 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Hedges, L., Gurevitch, J. y Curtis, P. El metanálisis de los índices de respuesta en ecología experimental. Ecología 80, 1150-1156 (1999).

Artículo de Google Scholar

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Innovación en Ciencia y Tecnología Agrícola (ASTIP-TRIC03).

Instituto de Investigación del Tabaco, Academia China de Ciencias Agrícolas (CAAS), Qingdao, China

Chuanzong Li, Oluwaseun Olayemi Aluko, Guang Yuan, Jiayi Li y Haobao Liu

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CL: muestreo, curación de datos, redacción: borrador original. OOA: Conceptualización, Metodología, Software. GY: Investigación. JL: Revisión y edición. NS: Supervisión, redacción: revisión y edición.

Correspondencia a Haobao Liu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, C., Aluko, OO, Yuan, G. et al. Las respuestas del carbono orgánico del suelo y el nitrógeno total a la reducción de los fertilizantes nitrogenados químicos se basan en un metanálisis. Informe científico 12, 16326 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18684-w

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Recibido: 12 de diciembre de 2021

Aceptado: 17 de agosto de 2022

Publicado: 29 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18684-w

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