Постоянное снижение содержания органического вещества в почве, несмотря на повышение продуктивности растений в 80-е гг.

Коммуникации Земля и окружающая среда, том 4, Номер статьи: 251 (2023) Цитировать эту статью

2066 Доступов

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью этого исследования было понять, как восемь десятилетий обработки почвы повлияли на динамику элементов почвы. Мы измерили химические свойства почвы и соотношение 14C:12C (Δ14C) органического углерода в ходе одного из старейших экспериментов на пахотных землях в Европе с различными уровнями добавления фосфора. Запасы общего и органического фосфора в почве в верхних 20 см существенно не различались между контролем и обработкой с добавкой фосфора через 80 лет, что указывает на поглощение фосфора растениями из недр. Урожайность сельскохозяйственных культур увеличилась с 220 г сухого веса м-2 в 1936 году до более чем 500 г сухого веса м-2 в 2010-х годах. Запасы общего органического углерода и общего органического фосфора в почве за время опыта снизились на 13,7 и 11,6% соответственно в верхних 20 см почвы независимо от внесения фосфора. На основе моделирования Δ14C мы показываем, что среднее время прохождения углерода в почве было менее 10 лет, что указывает на то, что большая часть поступления углерода в почву быстро выдыхается. Наши результаты показывают, что текущая сельскохозяйственная практика в этом долгосрочном эксперименте не является устойчивой, поскольку она привела к постоянному снижению содержания органического вещества в почве на протяжении последних десятилетий, несмотря на увеличение продуктивности растений.

Долгосрочное управление сельским хозяйством должно гарантировать, что плодородие почвы не будет поставлено под угрозу для достижения целей устойчивого развития. Большинство исследований устойчивости сельского хозяйства рассматривали либо круговорот почвенных элементов, либо урожайность сельскохозяйственных культур, но лишь немногие исследования оценивали устойчивость агроэкосистем на протяжении нескольких десятилетий, сочетая эти два аспекта (за исключением нескольких исследований, в основном моделирующих1,2). Кроме того, существует лишь мало основанных на наблюдениях знаний о долгосрочном влиянии обработки почвы на биогеохимию почвы и продуктивность растений, поскольку большинство экспериментов проводились только в течение периодов от нескольких лет до нескольких десятилетий. Таким образом, несколько существующих долгосрочных полевых экспериментов, которые проводятся уже более полувека, могут дать очень ценную информацию о долгосрочном влиянии обработки почвы, внесения удобрений и удаления биомассы на свойства почвы и урожайность, что важно как основа для развития устойчивых методов ведения сельского хозяйства3,4.

В ходе некоторых долгосрочных экспериментов на возделываемых землях было обнаружено, что общие запасы органического углерода (ТОС) в почве уменьшались с течением десятилетий, независимо от применения органических или неорганических удобрений; например, в Швейцарии в Цюрихском эксперименте по органическому оплодотворению5 или в эксперименте в Воберне недалеко от Ротамстеда, Великобритания6. Основными причинами этого снижения, по-видимому, является предыдущее преобразование участков в пахотные земли, что приводит к изменениям в поступлении органического вещества в сочетании с разрушением агрегатов, вызванным повторной вспашкой, что увеличивает скорость разложения7,8,9. Однако в других экспериментах было обнаружено, что запасы ТОС уменьшались только в контрольных вариантах, в которые не вносились питательные вещества, но увеличивались в вариантах с применением неорганических питательных веществ (без добавления органических веществ); например, в эксперименте в Бад-Лаухстеде, Германия10,11. Эти различия между контрольными и удобренными участками, вероятно, вызваны различиями в поступлении органических веществ растений в почву в результате различий в продуктивности растений.

Результаты относительно влияния внесения неорганического фосфора (P) на запасы ТОС в почве весьма неоднозначны. Внесение фосфора часто увеличивает продуктивность растений и, таким образом, можно ожидать увеличения запасов ТОС, особенно если его добавлять вместе с азотом, как в эксперименте в Бад-Лаухстеде11 или долгосрочном эксперименте в Ла-Эстансуэле, Уругвай12,13. Однако в некоторых экспериментах не наблюдалось существенного влияния внесения фосфорных удобрений на запасы ТОС в почве, как, например, в Цюрихском эксперименте по органическому удобрению5. Кроме того, недавнее исследование долгосрочного эксперимента на лугопастбищном участке показало, что десятилетия внесения удобрений неорганическим фосфором увеличили разложение органического вещества почвы (ПОВ)14. Кроме того, в нескольких долгосрочных экспериментах в Швеции15 внесение неорганического фосфора в условиях ограничения азота привело к истощению запасов ТОС в почве15. Причина этого может заключаться в том, что добавление фосфатов в почву может вызвать десорбцию адсорбированного ПОВ, которое, таким образом, становится доступным для микробного разложения16,17.

0.05; Figs. 1f and 3b), which suggests that the crops (in the control treatment) took up P from the soil below 20 cm. The small and not significant difference in TP of 17 g m−2 between the control and the P treatments makes up only about 20% of the P that has been removed with the harvest over 80 years. Hence, substantial plant P uptake from the soil must occur below 20 cm. Plant P uptake from below 20 cm seems likely given that the soil P content increases strongly below 25 cm31, which is related to the two different parent materials of the soil31,32. This finding calls into question the conclusion of a recent analysis on P fertilization trials, stating that the majority of P taken up by plants originates from the topsoil33./p> 0.05; Fig. 1b), indicating that increased plant productivity resulting from P fertilization (Fig. 3) had no significant effect on TOC stocks and organic C incorporation. The reason why we did not observe a decrease in TOC due to P application, as observed in other experiments15,35,36, might be that the effect of phosphate addition on desorption of SOM plays only a subordinate role in soils in which SOM is largely stabilized by sorption to clay minerals and not to iron and aluminum oxides. This is supported by the fact that a negative effect of phosphate addition on organic matter sorption has been mostly observed in soils containing high concentrations of positively charged iron and aluminum oxides or allophanes, i.e., ferralsols, podzols, and andosols, but less in soils strongly dominated by clay minerals17,37./p>50 years) agricultural experiments are crucial to understand element cycling in the plant-soil system over time-scales relevant for sustainable development of agroecosystems./p>