80년대 식물 생산성 증가에도 불구하고 토양 유기물은 지속적으로 감소

커뮤니케이션 지구 및 환경 4권, 기사 번호: 251(2023) 이 기사 인용

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이 연구의 목적은 80년 간의 경작이 토양 요소 역학에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것이었습니다. 우리는 다양한 수준의 인 첨가를 통해 유럽에서 가장 오래된 농경지 실험 중 하나에서 토양 화학적 특성과 유기 탄소의 14C:12C 비율(Δ14C)을 측정했습니다. 최상부 20cm의 토양 총 인 및 유기 인 축적량은 80년 후에도 대조군과 인 첨가 처리 간에 크게 다르지 않았으며 이는 식물의 인이 하층토에서 흡수되었음을 나타냅니다. 작물 수확량은 1936년 220g 건조 중량 m−2에서 2010년대 500g 건조 중량 m−2 이상으로 증가했습니다. 토양의 총유기탄소와 총유기인의 축적량은 실험기간 동안 토양의 최상부 20cm에서 인 첨가와 상관없이 각각 13.7%, 11.6% 감소하였다. Δ14C의 모델링을 기반으로 우리는 토양 내 탄소의 평균 이동 시간이 10년 미만임을 보여 주며 이는 토양에 유입되는 탄소의 상당 부분이 빠르게 호흡된다는 것을 나타냅니다. 우리의 결과는 이 장기 실험에서 현재의 농업 관행이 식물 생산성의 증가에도 불구하고 지난 수십 년 동안 토양 유기물이 지속적으로 감소했기 때문에 지속 가능하지 않다는 것을 시사합니다.

장기적인 농업 관리에서는 지속 가능성 목표를 달성하기 위해 토양 비옥도가 손상되지 않도록 해야 합니다. 농업의 지속 가능성에 관한 대부분의 연구는 토양 요소 순환 또는 작물 수확량을 고려했지만, 이 두 가지 측면을 결합하여 수십 년 동안 농업 생태계의 지속 가능성을 평가한 연구는 거의 없습니다(대부분 모델링 연구 1,2 제외). 또한, 대부분의 실험은 수년에서 수십 년에 걸쳐서만 수행되었기 때문에 경작이 토양 생지화학 및 식물 생산성에 미치는 장기적인 영향에 대한 관찰 기반 지식은 거의 없습니다. 따라서 반세기 이상 유지되어 온 기존의 몇 가지 장기 현장 실험은 경작, 비료 적용 및 바이오매스 제거가 토양 특성 및 수확량에 미치는 장기적인 영향에 대한 매우 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 지속 가능한 농업 관행 개발을 위한 기반3,4.

일부 장기 경작지 실험에서 유기 또는 무기 비료의 적용에 관계없이 토양 총 유기탄소(TOC) 축적량이 수십 년에 걸쳐 감소하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 스위스의 취리히 유기비료 실험5 또는 영국 Rothamsted 근처 Woburn의 실험6에서 그렇습니다. 이러한 감소의 주된 이유는 이전에 부지를 농경지로 전환하여 반복적인 경작으로 인한 골재 파괴와 결합하여 유기물 투입량의 변화를 초래하여 분해 속도를 증가시키기 때문인 것으로 보입니다7,8,9. 그러나 다른 실험에서 TOC 축적량은 영양분을 공급받지 않은 대조 처리에서만 감소했지만 무기 영양분을 적용한 처리(및 유기물 첨가 없음)에서는 증가한 것으로 나타났습니다. 예를 들어 독일의 Bad Lauuchsted 실험에서. 대조구와 시비구 사이의 이러한 차이는 식물 생산성의 차이로 인해 토양에 투입되는 식물 유기물의 차이로 인해 발생하는 것 같습니다.

무기 인(P) 적용이 토양 TOC 축적량에 미치는 영향에 관한 결과는 다소 양면적입니다. 인 적용은 종종 식물 생산성을 증가시키므로 특히 Bad Lauchsted 실험11 또는 우루과이 La Estanzuela12,13의 장기 실험에서와 같이 질소와 함께 첨가하는 경우 TOC 축적량을 증가시킬 것으로 예상할 수 있습니다. 그러나 일부 실험에서는 취리히 유기비료 실험5에서와 같이 토양 TOC 축적량에 대한 인 비료 시비의 유의미한 효과가 관찰되지 않았습니다. 또한, 초원 현장에서의 장기 실험에 대한 최근 연구에서는 수십 년 동안 무기 인을 사용한 비옥화가 토양 유기물(SOM) 분해를 증가시켰다고 보고했습니다14. 또한, 여러 스웨덴 장기 실험에서 질소 제한 하의 무기 인 시비로 인해 토양 TOC 저장량이 고갈되었습니다15. 그 이유는 토양에 인산염을 첨가하면 흡착된 SOM이 탈착되어 미생물 분해에 이용될 수 있기 때문일 수 있습니다.

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>