Die Reaktionen des organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs im Boden auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger basieren auf einem Meta

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16326 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der organische Kohlenstoff (SOC) des Bodens, der Gesamtstickstoff (TN) und ihr Verhältnis (C:N) spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit, und ihre Werte stehen in engem Zusammenhang mit der Düngemittelverwendung. Der Gesamttrend und das Ausmaß der Änderungen von SOC, TN und C:N als Reaktion auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger sind jedoch noch nicht eindeutig. Hier führte die Metaanalyse Vergleiche an 48 Standorten durch, die verschiedene Anbausysteme, Bodentypen und Klimaregionen Chinas abdeckten, um die Reaktionen von SOC, TN und C:N auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger in der gesamten Datenbank den SOC um 2,76 ± 0,3 % und die TN um 4,19 ± 0,8 % senkte und das C:N um 6,11 ± 0,9 % erhöhte. Insbesondere würde die Reduzierung des chemischen Stickstoffs ohne Zugabe organischer Stickstoffdünger den SOC und die TN um 3,83 % bzw. 11,46 % senken, während sie mit der Ergänzung durch organische Düngemittel den SOC und die TN um 4,92 % bzw. 8,33 % erhöhen würden, was darauf hindeutet, dass organische Düngemittel dies abdecken könnten Verlust von SOC, TN durch Reduzierung chemischer Stickstoffdünger. Eine mittlere Reduzierung (20–30 %) der chemischen Stickstoffdünger erhöhte den SOC um 6,9 %, während eine große (≥ 30 %) und vollständige (100 %) Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger den SOC deutlich um 3,10 % bzw. 7,26 % senkte. Darüber hinaus zeigte der SOC bei kurzfristiger Dauer (1–2 Jahre) eine negative Reaktion auf die Reduzierung von Stickstoffdüngern, während die Ergebnisse mittel- und langfristig umgerechnet wurden. Diese Systemanalyse schließt die Lücke hinsichtlich der Auswirkungen der Düngemittelreduzierung auf organischen Kohlenstoff und Stickstoff im Boden auf nationaler Ebene und liefert die technische Grundlage für Maßnahmen zur Reduzierung des Düngemitteleinsatzes bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz.

Die Düngung gilt als eine der wichtigsten agronomischen Praktiken zur Steigerung der Ernteerträge und der Ernährungssicherheit, insbesondere für die Anwendung chemischer Stickstoffdünger1,2. Zur Steigerung der Bodenproduktivität wurden große Mengen chemischer Stickstoffdünger eingesetzt3,4. Bis 2013 erreichte die globale Zusammensetzung von Stickstoffdüngern bis zu 107,6 Tg N pro Jahr, kann jedoch nicht vollständig von Nutzpflanzen aufgenommen werden5. Und der sukzessive und umfangreiche Einsatz chemischer Stickstoffdünger hat zu schwerwiegenden Umweltproblemen geführt, darunter Bodendegradation, Bodeneutrophierung und Treibhauseffekt6,7. Daher hat die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger weltweit die Sorge um eine nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft geweckt8,9,10.

Die Auswirkungen der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger auf SOC, TN und C:N wurden in bestimmten Regionen bewertet. Beispielsweise beschrieben Cheng et al.10, dass der SOC in einem fluvo-aquischen Braunboden unter der Behandlung mit 20 % chemischer Stickstoffdüngung nach einem Jahr bei Mais eine signifikante Abnahme aufwies. Die Studie von Ning et al.11 ergab jedoch, dass es nach einer 20-prozentigen Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger auf einem 10 Saisons lang kontinuierlich mit Gemüse bepflanzten Feld keinen signifikanten Unterschied im SOC gab. Was TN betrifft, haben Untersuchungen über Variationen bei unterschiedlichen Stickstoffanwendungsregimen berichtet12. In der Studie von Liu et al.13 wurde bei der 25-prozentigen Reduzierung chemischer Stickstoffdünger kein signifikanter Unterschied bezüglich TN beobachtet. Die Ergebnisse regionalspezifischer Unterschiede konnten jedoch nicht die Gesamtauswirkungen auf den nationalen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt nach der Reduzierung chemischer Düngemittel klären. Der Gesamttrend und das Ausmaß der Veränderungen von SOC, TN und C:N als Reaktion auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger sind noch unklar. Unter Berücksichtigung der Unterschiede in den klimatischen Bedingungen, Bodentypen, Bewirtschaftungssystemen und Versuchszeiten sind nationale Daten erforderlich, um die Reaktion der Düngemittelreduzierung auf SOC, TN und C:N zu bewerten.

Als leistungsstarke statistische Methode zum Vergleichen und Integrieren von Ergebnissen aus mehreren Studien wurde die Metaanalyse, die die Einschränkungen der hohen Variabilität verschiedener Studien überwinden könnte, in großem Umfang für die umfassende Analyse randomisierter kontrollierter Studien zu klinischen Forschungen eingesetzt14,15. Derzeit hat die Metaanalyse einen revolutionären Effekt auf dem Gebiet der Bodenkunde erzielt und es wurden große Erfolge erzielt16,17. Du et al.18 verwendeten eine Metaanalyse, um die Auswirkungen der Direktsaat auf den SOC-Speicher im Vergleich zur konventionellen Bodenbearbeitung zu bewerten, und stellten fest, dass die Einflüsse der Direktsaat auf den SOC in China überbetont wurden. Die Reaktionen von Kohlenstoff und Stickstoff der mikrobiellen Biomasse auf die experimentelle Erwärmung wurden in der Studie von Xu und Yuan abgeschätzt19, und sie zeigten, dass die experimentelle Erwärmung die mikrobielle Biomasse signifikant erhöhte. Jede dieser Metaanalysen konzentrierte sich nur auf das Landwirtschaftssystem oder analysierte eine begrenzte Region. Daher ist eine landesweite Metaanalyse mit SOC-, TN- und C:N-Reaktion auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger erforderlich.

In dieser Studie wurde die Metaanalyse erstellt, um die relativen Veränderungen von SOC, TN und C:N auf der Grundlage von 295 Vergleichen zwischen Behandlungen zur Reduzierung chemischer Stickstoffdünger und konventionellen Behandlungen an 48 Standorten zu bewerten, die verschiedene Anbausysteme, Bodentypen und Klimaregionen abdecken von China. Die Ziele dieser Studie bestanden darin, (i) den Gesamttrend und das Ausmaß der Änderungen von SOC, TN und C:N als Reaktion auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger zu untersuchen; (ii) die Reaktion von SOC, TN und C:N auf verschiedene Unterkategorien klären, einschließlich: Reduktionsmuster, Versuchsdauer, Reduktionsausmaß, Bodennutzung; und (iii) die Beziehungen zwischen Umweltfaktoren und der Reaktion von SOC, TN und C:N identifizieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger SOC und TN deutlich um 2,76 % bzw. 4,19 % senkte, während C:N in allen Datenbanken um 6,11 % stieg (Abb. 1). SOC entsteht hauptsächlich aus Ernterückständen und -sekreten, die in engem Zusammenhang mit dem Pflanzenwachstum stehen, und das Pflanzenwachstum wurde durch Düngung, insbesondere Stickstoffdüngung, beeinträchtigt20,21. Die Reduzierung des chemischen Stickstoffdüngers führte zu einem schlechten Pflanzenwachstum, was zu einer geringeren Menge an zurückgeführten Ernterückständen und damit zu einem Rückgang des SOC führte. Ebenso wurde die TN aus Feldfrüchten aufgrund des schlechten Pflanzenwachstums reduziert. Darüber hinaus reduzierte die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger direkt den Eintrag von Bodenstickstoff. Der Anstieg von C:N war darauf zurückzuführen, dass die Abnahme von TN größer war als die von SOC. Die Reaktionen von C:N auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger verbesserten das Verständnis der Paarbeziehung zwischen SOC und TN, was sich positiv auf die Entwicklung der CN-Kopplungsmodelle auswirkte. Darüber hinaus hängt die Genauigkeit von CN-Kopplungsmodellen von der genauen Quantifizierung der Reaktionen von SOC und TN auf die Stickstoffdüngung ab. Und unsere Ergebnisse haben die unterschiedlichen Reaktionen von SOC und TN auf verschiedene Stickstoffdüngungsregime genau quantifiziert und so die CN-Kopplungsmodelle optimiert.

Das gewichtete Antwortverhältnis (RR++) für die Reaktionen auf chemische Stickstoffdünger von organischem Kohlenstoff im Boden (SOC, a), Gesamtstickstoff (TN, b) und deren Verhältnissen (C:N, c). Die Balken geben das gesamte mittlere Antwortverhältnis RR++ und die 95 %-Konfidenzintervalle (CI) an. Der Stern (*) zeigt die Signifikanz an, wenn das 95 %-KI die Nulllinie nicht überschreitet. Die vertikalen Linien werden bei lnRR = 0 gezeichnet. Der Wert stellt die unabhängige Stichprobengröße dar.

Gruppiert nach dem Ausmaß der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger zeigte der SOC einen signifikanten Anstieg um 6,9 % im mittleren Ausmaß, während der SOC im hohen Ausmaß bzw. im Gesamtmaß deutlich um 3,10 % bzw. 7,26 % sank (Abb. 1a). Liu und Greaver22 gaben außerdem an, dass die Reduzierung des Düngers mit mittlerem Stickstoffgehalt die durchschnittliche mikrobielle Biomasse von 15 auf 20 % erhöhte und dadurch den SOC-Gehalt erhöhte. Frühere Studien hatten gezeigt, dass sowohl im landwirtschaftlichen Ökosystem als auch im natürlichen Ökosystem starke positive Korrelationen zwischen der organischen Substanz des Bodens und der mikrobiellen Biomasse des Bodens bestehen23,24. Zahlreiche Forscher haben die Bedeutung der Stickstoffverfügbarkeit im Boden für die Pflanzenbiomasse in den meisten Ökosystemen nachgewiesen25,26. Darüber hinaus würde ein Stickstoffmangel die Aktivität extrazellulärer Enzyme und Wurzelaktivitäten hemmen27. Im Allgemeinen kann die Bodendegradation, die durch die kontinuierlich steigende Anwendung von chemischen Stickstoffdüngern verursacht wird, das Wachstum von Nutzpflanzen hemmen und letztendlich den SOC reduzieren28.

TN zeigte keinen signifikanten Unterschied in der Stärke der Reduktion chemischer Stickstoffdünger bei niedrigen und mittleren Werten (p > 0,05), während TN in der Stärke der Reduktion chemischer Stickstoffdünger mit hoher Stärke und Gesamtstärke eine Abnahme von 3,10 % bzw. 9,37 % aufwies (Abb. 1b). In zahlreichen Studien wurde beschrieben, dass die Menge der in China verwendeten Stickstoffdünger höher war als der N-Bedarf für die Ernte, was zu schwerwiegender N-Auswaschung und -Abfluss führte29,30. Chemische Stickstoffdünger in geringer und mittlerer Stärke würden die TN des Bodens nicht verringern, indem sie die N-Auswaschung und den N-Abfluss verringern. Allerdings kann der Reststickstoff im Boden den Bedarf für ein nachhaltiges Pflanzenwachstum mit Streu oder ohne exogene Stickstoffergänzung nicht decken, was zu einem Rückgang der TN in der Menge an chemischen Stickstoffdüngern mit hohem und Gesamtstickstoffgehalt führte. Folglich werden optimale Stickstoffdünger-Ausbringungsmengen den Ernteertrag und die Umweltfreundlichkeit berücksichtigen.

Darüber hinaus verzeichnete C:N einen signifikanten Anstieg im Bereich von 1,82 % bis 8,98 % unter den vier Reduzierungsgrößen für chemische Stickstoffdünger (Abb. 1c), was auf einen relativen Anstieg des SOC im Vergleich zu TN hindeutet. Frühere Studien haben gezeigt, dass C:N einen erheblichen Einfluss auf die Strukturen der Bodenbakteriengemeinschaft hatte31. Und es gab auch umfangreiche Studien, die darauf hindeuteten, dass chemische Stickstoffdünger Auswirkungen auf die Bakteriengemeinschaften im Boden haben32,33. Wir können spekulieren, dass die Änderung von C:N zu Variationen der Bodenbakteriengemeinschaften unter den chemischen Stickstoffdüngerregimen führen würde.

In unserer Studie wurde eine negative Reaktion des SOC auf eine kurzfristige Reduzierung chemischer Stickstoffdünger beobachtet, was mit der Studie von Gong et al.34 übereinstimmt, dass die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger den SOC verringerte, indem der aus Pflanzen gewonnene Kohlenstoff um ein Jahr reduziert wurde. Allerdings stieg der SOC bei mittelfristiger bzw. langfristiger Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger signifikant um 1,06 % bzw. 4,65 %, was mit den Erkenntnissen von Ning et al.11 vergleichbar ist, dass der SOC nach mehr als 5 Jahren signifikant anstieg Behandlung zur Reduzierung chemischer Stickstoffdünger. Bei der kurzfristigen Dauer der Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger wurde die TN deutlich um 1,96 % verringert, während die Ergebnisse bei der mittelfristigen Dauer der Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger umgerechnet wurden. Der Effekt einer langfristigen Reduzierung der chemischen Stickstoffdüngung auf die TN war nicht signifikant (p > 0,05). Die unterschiedliche Reaktion von TN auf die unterschiedliche Dauer chemischer Stickstoffdünger wurde hauptsächlich durch die verschiedenen Behandlungen verursacht. In Bezug auf C:N wurde eine größere positive Reaktion bei der kurzfristigen Dauer der chemischen Stickstoffdüngung (9,06 %) als bei der mittel- und langfristigen Dauer (1,99 %) beobachtet. Darüber hinaus tendiert das Reaktionsverhältnis mit der Verlängerung der chemischen Reduktionszeit von Stickstoff gegen Null, was darauf hindeutet, dass die Wirkung chemischer Düngemittel allmählich abnimmt. Dies kann auf die Pufferkapazität des Bodens zurückgeführt werden, um den Veränderungen der äußeren Umgebung, einschließlich Nährstoffen, Schadstoffen und Redoxsubstanzen, zu widerstehen35.

Bei der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger ohne Ergänzung mit organischen Düngemitteln verringerten sich SOC und TN deutlich um 3,83 % bzw. 11,46 %, während die Reduzierung mit chemischen Stickstoffdüngern mit Ergänzung mit organischen Düngemitteln den SOC und TN deutlich um 4,92 % bzw. 8,33 % erhöhte. Darüber hinaus stieg C:N unter den beiden chemischen Stickstoffdüngermustern signifikant an (p < 0,05) (Abb. 1). Um die Bedeutung der Anwendung organischer Düngemittel auf SOC, TN und C:N weiter zu analysieren, wurde die gesamte Datenbank in zwei Kategorien unterteilt, einschließlich Reduzierungsdauer und Reduzierungsausmaß jedes Musters. Und die Antworten SOC, TN und C:N unter den beiden chemischen Stickstoffdüngermustern jeder Kategorie sind in Abb. 2 dargestellt. Im Muster der chemischen Stickstoffdünger ohne Zusatz von organischen Düngemitteln hatten chemische Stickstoffdünger niedriger und mittlerer Stärke keine signifikanten Einfluss auf die Reaktion des SOC (p > 0,05), es gab jedoch einen negativen Effekt auf den SOC in hoher und allgemeiner Stärke (p < 0,05). Bezogen auf die Dauer der Reduzierung chemischer Düngemittel verringerte die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger den SOC um 3,8 % bzw. 4,2 % bei der kurz- bzw. langfristigen Dauer der chemischen Stickstoffdüngung, während der SOC bei mittelfristiger Dauer keinen signifikanten Rückgang aufwies (p > 0,05). Dass es zur mittelfristigen Dauer keinen signifikanten Rückgang gibt, könnte auf die begrenzten Informationen zurückzuführen sein, die in den Originalstudien dieser Metaanalyse36 enthalten sind. TN zeigte im niedrigen und mittleren Ausmaß keine signifikante Reaktion auf chemische Stickstoffdünger ohne Zusatz von organischen Düngemitteln (p > 0,05). Allerdings verringerte sich die TN deutlich um 8,62 % bzw. 16,7 % in der Hoch- und Gesamtstärke. In Bezug auf die Dauer der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger wurde die TN in allen Kategorien deutlich reduziert und lag zwischen 3,13 % und 13,4 % (Abb. 2c). Im Muster der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger durch Ergänzung mit organischen Düngemitteln erhöhte die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger bei mittleren, hohen und Gesamtmengen den SOC deutlich um 13,85 %, 13,03 % bzw. 5,46 %, jedoch war die Reaktion des SOC bei niedrigen chemischen Düngemitteln signifikant Die Größe der Stickstoffdünger war nicht signifikant. Die Dauer der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger erhöhte den SOC deutlich um 7,01 %, 1,71 % bzw. 22,02 % kurz-, mittel- und langfristig. Im Vergleich dazu zeigte TN einen deutlichen Anstieg in den meisten Kategorien chemischer Stickstoffdünger, der für die langfristige Dauer chemischer Stickstoffdünger erwartet wird, mit einem Anstieg von 4,90 % auf 14,69 % (Abb. 2d).

Das gewichtete Antwortverhältnis (RR++) für die Reaktionen auf chemische Stickstoffdünger von organischem Bodenkohlenstoff (SOC, a), Gesamtstickstoff (TN, b) und deren Verhältnisse (C:N, c) unter den beiden Mustern (mit organischen Düngemitteln). ; ohne organische Düngemittel). Die Balken geben das gesamte mittlere Antwortverhältnis RR++ und die 95 %-Konfidenzintervalle (CI) an. Der Stern (*) zeigt die Signifikanz an, wenn das 95 %-KI die Nulllinie nicht überschreitet. Die vertikalen Linien werden bei lnRR = 0 gezeichnet. Die Werte stellen eine unabhängige Stichprobengröße dar.

Organische Düngemittel wurden hauptsächlich aus Tiermist oder Getreidestroh gewonnen, die große Mengen an organischem Material und Stickstoffelementen enthielten37,38. Die Anwendung organischer Düngemittel erhöhte direkt den Eintrag von SOC und TN. Darüber hinaus könnte organischer Dünger das Wachstum von Nutzpflanzen fördern, indem er während des Zersetzungsprozesses Phenole, Vitamine, Enzyme, Auxine und andere Substanzen freisetzt, wodurch der aus den Nutzpflanzen gewonnene SOC erhöht würde37,39. Darüber hinaus liefern organische Düngemittel verschiedene Nährstoffe für die mikrobielle Vermehrung, die die Mikrobenpopulation sowie den Gehalt an organischem Kohlenstoff und Gesamtstickstoff erhöhen37. Noch wichtiger ist, dass die Anwendung organischer Düngemittel die Bindung von organischem Kohlenstoff verbessern und dessen Stabilität in Aggregaten aufrechterhalten könnte, wodurch die Verluste an SOC und TN40 verringert würden.

C:N zeigte einen Anstieg bei allen Reduzierungen chemischer Stickstoffdünger mit organischem Düngerzusatz. Die positive Reaktion von C:N auf die Ergänzung mit organischem Dünger könnte mit dem höheren C:N von organischem Dünger im Vergleich zum Boden zusammenhängen. Die durchschnittlichen C:N-Werte der häufig verwendeten organischen Düngemittel, einschließlich Tiermist, Erntestroh und Pflanzenkohle, lagen bei 14, 60 bzw. 30, während der C:N-Wert des Bodens nach umfangreichen Literaturrecherchen im Durchschnitt unter 10 lag41. Daher wären organische Düngemittel eine günstige Alternative zu chemischen Düngemitteln für die nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft.

Die Analyse der linearen Regression wurde durchgeführt, um die Umweltvariablen zu analysieren, einschließlich der mittleren Jahrestemperatur (MAT), des mittleren Jahresniederschlags (MAP) und der akkumulierten Temperatur über 10 °C (MATA), die Einfluss auf SOC, TN und C:N haben können. In der gesamten Datenbank wurde keine signifikante Korrelation zwischen dem lnRR von SOC, TN, C:N und Umgebungsvariablen beobachtet (p > 0,05; Abb. S1). Um die Beeinträchtigung durch organische Düngemittelzusätze auszuschließen, haben wir die Beziehung zwischen lnRR von SOC, TN, C:N und Umgebungsvariablen analysiert, wie in den Abbildungen dargestellt. 3 bzw. 4. Unter chemischen Stickstoffdüngern ohne Zusatz von organischen Düngemitteln gab es eine signifikante negative Korrelation zwischen dem lnRR von SOC und MAT (p <0,05, Abb. 3a) und eine positive Korrelation zwischen dem lnRR von TN und MATA (p <0,05, Abb. 3h). Es besteht jedoch kein signifikanter Zusammenhang zwischen dem lnRR von C:N und MAT, MAP und MATA (p > 0,05). Abgesehen von der signifikanten negativen Korrelation zwischen dem lnRR von SOC und MAT (p <0,05, Abb. 4b) und der signifikanten positiven Korrelation zwischen dem lnRR von C:N und MAT (p <0,05, Abb. 4c) gab es keine weiteren signifikanten Korrelationen gefunden zwischen dem lnRR von SOC, TN, C:N und Umweltvariablen unter dem Muster von chemischen Stickstoffdüngern mit organischem Düngemittelzusatz (p > 0,05, Abb. 4). Der negative Zusammenhang zwischen MAT und den Auswirkungen der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger wurde hauptsächlich auf die hohe Zersetzungsrate organischer Bodensubstanz unter den Bedingungen hoher Temperaturen zurückgeführt42,43. MATA ist eine notwendige Voraussetzung für das Wachstum von Nutzpflanzen, und MATA könnte den Wachstumsstatus von Nutzpflanzen genau widerspiegeln44,45. Obwohl die Korrelation keinen ursächlichen Zusammenhang bewies, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass MATA einen signifikanten Einfluss auf den Stickstoff der Nutzpflanzen hatte.

Beziehung zwischen mittlerer Jahrestemperatur (MAT), mittlerem Jahresniederschlag (MAP), akkumulierter Temperatur über 10℃ (MATA) und dem natürlichen Logarithmus des Antwortverhältnisses (lnRR) von organischem Kohlenstoff im Boden (SOC), Gesamtstickstoff (TN) und das Verhältnis von SOC zu TN (C:N). Die schwarze durchgezogene Linie zeigt die Beziehung zwischen dem lnRR von SOC, TN, C:N und den Umweltvariablen aller Datenbanken für chemische Stickstoffdünger ohne organische Düngemittelzusätze.

Zusammenhang zwischen mittlerer Jahrestemperatur (MAT), mittlerem Jahresniederschlag (MAP), akkumulierter Temperatur über 10 °C (MATA) und dem natürlichen Logarithmus des Antwortverhältnisses (lnRR) von organischem Kohlenstoff im Boden (SOC), Gesamtstickstoff (TN), und das Verhältnis von SOC zu TN (C:N). Die schwarze durchgezogene Linie zeigt die Beziehung zwischen dem lnRR von SOC, TN, C:N und Umweltvariablen aller Datenbanken für chemische Stickstoffdünger mit organischem Düngemittelzusatz.

Unsere Metaanalyse ergab, dass sowohl SOC als auch TN negative Reaktionen auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger zeigten. Bei geringem und mittlerem Ausmaß der Reduzierung chemischer Stickstoffdünger zeigten SOC und TN unterschiedliche Reaktionen, jedoch zeigten SOC und TN eine deutlich negative Reaktion auf hohes und vollständiges Ausmaß. SOC und TN zeigten eine negative Reaktion auf die Dauer der kurzfristigen Reduzierung der chemischen Stickstoffdünger, während die Ergebnisse auf die mittelfristige Dauer umgerechnet wurden. Es ist erwähnenswert, dass die Anwendung organischer Düngemittel den SOC und die TN erhöht. Mit Ausnahme der langfristigen chemischen Stickstoffreduktion zeigte C:N in allen Kategorien positive Reaktionen. Diese Ergebnisse zeigten, dass die SOC- und TN-Reaktion auf die chemische Stickstoffreduktion nicht konstant war und vom Ausmaß, der Dauer und den Mustern der Reduktion beeinflusst wurde. Weitere Studien sind noch erforderlich, um die Auswirkungen der Düngung auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens anhand weiterer Feldversuche zu bestätigen.

Wir überprüften zwischen 2000 und 2019 veröffentlichte Zeitschriftenartikel, die sich auf die Reaktionen von Boden-SOC und TN auf chemische Stickstoffdünger in China konzentrierten, indem wir mehrere Datenbanken durchsuchten, darunter Science Direct, Web of Science, Springer Link und China Knowledge Resource Integrated Database usw. Die Suchbegriffe wurden mit „Stickstoffdünger“, „Stickstoffreduktion“, „Stickstoffrate“, „und organischer Kohlenstoff im Boden“, „organische Substanz im Boden“ und „Gesamtstickstoff“ eingefügt. Die Daten wurden durch ein Informationsabrufverfahren wie folgt ausgewählt: (i) Die Untersuchungen wurden mit direkten Vergleichen von Kontroll- und Behandlungsgruppen durchgeführt; (ii) die Messungen wurden mindestens ein ganzes Jahr lang unter Feldbedingungen durchgeführt; (iii) die Mittelwerte, Standardabweichungen (SD) und Stichprobengrößen von SOC, TN und C:N wurden gemeldet oder konnten berechnet werden. Wenn SOM gemeldet wurde, wurde der SOC durch die Gleichung (SOC = SOM × 0,58) berechnet; Wenn in der Arbeit ein Standardfehler (SE) angegeben wurde, wurde der SD wie folgt berechnet:

wobei n die Replikatnummer war.

Wir haben festgestellt, dass SD 1/10 des Mittelwerts in den Fällen ausmachte, in denen kein SE oder SD gemeldet wurde46. (iv) Die Variablen chemischer Stickstoffdünger (Reduktionsmuster, Reduktionsausmaß, Reduktionsdauer und Bodennutzung) müssen in den Untersuchungen detailliert beschrieben werden. Wenn die gemeldeten Ergebnisse eine weitere Bodenschicht umfassten, wurde in der vorliegenden Untersuchung nur die oberste Schicht ausgewählt.

Für jede ausgewählte Arbeit haben wir die Mittelwerte von SOC, TN und C:N der Kontroll- bzw. Behandlungsgruppe aufgezeichnet. Bei der grafischen Darstellung von Daten wurde GetData Graph Digitizer Version 2.24 zur Digitalisierung der Daten eingesetzt. Darüber hinaus wurden auch die Merkmale der Untersuchungsstandorte, einschließlich Standort, Bodenbeschaffenheit, Versuchsdauer, Jahresniederschlag, Jahresdurchschnittstemperatur, akkumulierte Temperatur über 10 °C und Kulturpflanzenarten, extrahiert.

Nach dem Filterverfahren (Abb. 5) wurden in der vorliegenden Studie 36 veröffentlichte Arbeiten ausgewählt, die aus peer-reviewten Arbeiten und Dissertationen von 48 Standorten in China bestanden. Die Verteilung der Versuchsstandorte im Bereich von 85,6°E bis 126,4°E und 26,7°N bis 49,2°N ist in Abb. 6 dargestellt und die detaillierten Informationen wurden in den ergänzenden Materialien aufgeführt (Tabelle S1). Die Datenbank deckte große Bereiche der mittleren Jahrestemperatur (von – 0,1 °C bis 22,4 °C), des mittleren Jahresniederschlags (von 158 bis 1700 mm) und der akkumulierten Temperatur über 10 °C (von 2239 °C bis 6539 °C) ab ( Tabelle S1). Zu den auf den Versuchsflächen angebauten Nutzpflanzen zählen Mais, Weizen, Reis und Baumwolle. Die Versuchsdauer lag zwischen 1 und 37 Jahren, darunter 147 paarweise Vergleiche innerhalb von 1–2 Jahren, 94 Vergleiche innerhalb von 3–4 Jahren und 41 Vergleiche über mehr als 5 Jahre.

Flussdiagramm der vorliegenden Studie.

Räumliche Verteilungskarte von Feldversuchsstandorten für chemische Stickstoffdünger in China.

Um die Variationen von SOC und TN, die durch die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger verursacht werden, weiter zu untersuchen, wurden alle experimentellen Daten in verschiedene Unterkategorien unterteilt (i) Bodentextur (sandig, lehmig, tonig); (ii) Versuchsdauer (kurzfristige Versuchsdauer (1–2 Jahre), mittelfristige Versuchsdauer (3–4 Jahre) und langfristige Versuchsdauer (≥ 5 Jahre); (iii) Reduktionsgröße niedrige Reduktionsgröße (≤ 20 %), mittleres Reduktionsausmaß (20 %–30 %), hohes Reduktionsausmaß (≥ 30 %) und Gesamtstickstoff-Reduktion chemischer Düngemittel oder keine Anwendung chemischer N-Düngemittel (100 %); (iv) Reduktionsmuster (ohne Ergänzung zu organischen Düngemitteln, mit Ergänzung zu organischen Düngemitteln).

Das Antwortverhältnis (RR) ist ein Index, der zur Bewertung der Auswirkungen von Experimenten auf jede Variable47,48 verwendet wird. Für eine bestimmte Variable wird RR als Verhältnis des Mittelwerts der Behandlungsgruppe (Mt) zum Mittelwert der Kontrollgruppe (Mc) bestimmt. Die Berechnungsformel für RR lautete wie folgt:

wobei Mt und Mc die Mittelwerte der Behandlungs- bzw. Kontrollgruppen darstellen.

Der lnRR ist der natürliche Logarithmus von RR. Es zeigt einen positiven Effekt von stickstoffhaltigen chemischen Stickstoffdüngern auf die Variable an, wenn der Wert von lnRR über 0 liegt. Allerdings zeigt sich ein negativer Effekt von stickstoffhaltigen chemischen Stickstoffdüngern, wenn lnRR unter 0 liegt. Der lnRR wurde wie folgt geschätzt:

Die Varianz (V) wurde berechnet durch:

Dabei repräsentieren nt und nc die Stichprobengrößen der Behandlungs- bzw. Kontrollgruppen und SDt und SDc repräsentieren die SD der Reduktions- und Kontrollgruppen für stickstoffchemische Düngemittel.

Darüber hinaus wurden der gewichtete Faktor (Wij), das gewichtete Antwortverhältnis (RR++), die Standardfehler von RR++ (S(RR++)) und das 95 %-Konfidenzintervall (95 %-KI) wie folgt berechnet:

In diesem Artikel wurde RR++ als RR++ × 100 % beschrieben.

Die Reaktionen der Variablen auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger unterscheiden sich in bestimmten Kategorien (d. h. Versuchsdauer, Reduzierungsumfang, Reduzierungsmuster und Bodennutzung) erheblich von der Kontrolle, wenn der 95 %-KI-Wert von RR++ für eine bestimmte Variable nicht Null abdeckt.

Es wurde angenommen, dass die Häufigkeitsverteilungen von lnRR Normalverteilungen folgen und durch eine Gaußsche Funktion (dh Normalverteilung) angepasst wurden.

Dabei ist y die Anzahl der lnRR-Werte, a ein Koeffizient, der die erwartete Anzahl von lnRR-Werten bei x = μ angibt, und x und μ sind der Mittelwert bzw. die Varianz der Häufigkeitsverteilungen von lnRR.

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Diese Arbeit wurde vom Agricultural Science and Technology Innovation Program (ASTIP-TRIC03) unterstützt.

Tabakforschungsinstitut, Chinesische Akademie der Agrarwissenschaften (CAAS), Qingdao, China

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

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CL: Probenahme, Datenkuration, Schreiben – Originalentwurf. OOA: Konzeptualisierung, Methodik, Software. GY: Untersuchung. JL: Überprüfen und Bearbeiten. HL: Supervision, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Haobao Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Li, C., Aluko, OO, Yuan, G. et al. Die Reaktionen des organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs im Boden auf die Reduzierung chemischer Stickstoffdünger basieren auf einer Metaanalyse. Sci Rep 12, 16326 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18684-w

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Eingegangen: 12. Dezember 2021

Angenommen: 17. August 2022

Veröffentlicht: 29. September 2022

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

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