80年代に植物の生産性が向上したにもかかわらず、土壌有機物は継続的に減少

Communications Earth & Environmental volume 4、記事番号: 251 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究の目的は、80年間の耕作が土壌要素の動態にどのような影響を与えたかを理解することでした。私たちは、ヨーロッパで最も古い農地実験の一つで、さまざまなレベルのリン添加を行い、土壌の化学的特性と有機炭素の 14C:12C 比 (Δ14C) を測定しました。最上部 20 cm の土壌総量と有機リン貯蔵量は、80 年後でも対照とリン添加処理の間で有意な差はなく、植物が下層土からリンを吸収していることを示しています。作物収量は、1936 年の 220 g 乾燥重量 m-2 から、2010 年代には 500 g 乾燥重量 m-2 以上に増加しました。実験中、土壌の全有機炭素と全有機リンの貯蔵量は、リンの添加に関係なく、土壌の最上部 20 cm でそれぞれ 13.7% と 11.6% 減少しました。 Δ14C のモデリングに基づいて、土壌中の炭素の平均移動時間が 10 年未満であることを示し、土壌への炭素投入の大部分が急速に呼吸されることを示しています。私たちの結果は、この長期実験における現在の農業慣行は、植物の生産性が向上したにもかかわらず、過去数十年間にわたって土壌有機物の継続的な減少につながったため、持続可能ではないことを示唆しています。

長期的な農業管理では、持続可能性の目標を達成するために、土壌の肥沃度が損なわれないようにする必要があります。農業の持続可能性に関する研究のほとんどは、土壌要素の循環または作物の収量のいずれかを考慮していましたが、これら 2 つの側面を組み合わせて数十年にわたる農業生態系の持続可能性を評価した研究はほとんどありませんでした（主にモデリングを行ったいくつかの研究を除いて 1、2）。さらに、ほとんどの実験は数年から数十年の期間にわたってしか行われていないため、耕作が土壌生物地球化学および植物の生産性に及ぼす長期的な影響については、観察に基づいた知識がほとんどありません。したがって、半世紀以上にわたって維持されてきた数少ない既存の長期野外実験は、耕作、肥料施用、およびバイオマス除去が土壌特性と収量に及ぼす長期的な影響についての非常に貴重な洞察を提供することができます。持続可能な農業実践の発展の基礎3,4。

いくつかの長期農地実験では、有機肥料や無機肥料の施用に関係なく、土壌の全有機炭素（TOC）蓄積量が数十年にわたって減少することが判明した。たとえば、スイスのチューリッヒ有機肥料実験5や、英国ロザムステッド近くのウォーバーンでの実験6。これらの減少の主な理由は、以前にその場所が農地に転用されたことにより、有機物投入量の変化と、繰り返しの耕作による骨材の破壊が起こり、分解率が上昇したことであると思われる7、8、9。しかし、他の実験では、TOCストックは栄養素を与えなかった対照処理でのみ減少し、無機栄養素を適用した(有機物を添加しなかった)処理では増加したことが判明した。たとえば、ドイツのバート・ラウハステッド実験での実験です10,11。対照区と施肥区の間のこれらの違いは、植物の生産性の違いから生じる、土壌への植物有機物の投入量の違いによって引き起こされる可能性があります。

無機リン (P) 施用が土壌 TOC ストックに及ぼす影響に関する結果はかなり曖昧です。リンの施用は植物の生産性を向上させることが多いため、特にバート・ラウハステッドの実験11やウルグアイのラ・エスタンズエラでの長期実験12、13のように窒素と一緒に添加した場合、TOCストックの増加が期待できます。しかし、一部の実験では、チューリッヒの有機肥料実験 5 のように、土壌 TOC ストックに対する P 肥料施用の有意な影響は観察されませんでした。さらに、草地での長期実験に関する最近の研究では、数十年にわたる無機リンの施肥により土壌有機物（SOM）の分解が増加したことが報告されています14。さらに、スウェーデンのいくつかの長期実験では、窒素制限下での無機リン施肥により土壌 TOC ストックが枯渇しました15。この理由は、土壌へのリン酸塩の添加により吸着された SOM の脱着が引き起こされ、それによって微生物の分解に利用できるようになるためである可能性があります 16,17。

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>