Canh tác là gì? Các công bố khoa học về Canh tác

Những thay đổi trong các phân số photpho (P) vô cơ và hữu cơ do 65 năm canh tác trong quy trình gieo trồng lúa mì – lúa mì – nghỉ đông đã được nghiên cứu bằng kỹ thuật chiết xuất tuần tự. Hàm lượng P tổng trong đất canh tác thấp hơn 29% so với đất cỏ thường xuyên liền kề; mất mát chính về P (74% tổng lượng P mất) là từ P hữu cơ và P còn lại. Trong tổng lượng P mất, 22% đến từ các dạng P hữu cơ có thể chiết xuất, trong khi 52% đến từ P ổn định.

Các nghiên cứu ủ đã được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi P theo mùa trong quá trình nghỉ đông mô phỏng với và không có việc bổ sung dư lượng và phân bón P. Chín lần bổ sung hàng tháng cellulose (765 µg C · g⁻¹ đất) có hoặc không có P (9 µg · g⁻¹ đất) đã làm thay đổi đáng kể mức độ P hữu cơ có thể chiết xuất và P vô cơ trong đất được ủ. Bằng chứng cho thấy hoạt động của vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối lại P thành các dạng khác nhau trong đất.

Nhiều mô hình đã được xây dựng nhằm cố gắng mô tả động lực của sự tuần hoàn hợp chất hữu cơ trong đất (SOM), phần lớn trong số đó bao gồm 2 đến 3 bể chứa hợp chất hữu cơ được định nghĩa về động học. Việc xác định vật lý và hóa học của các bể chứa SOM được khái niệm này đã gặp nhiều khó khăn. Chúng tôi mô tả một phương pháp đơn giản để phân tán đất nhằm tách biệt một phần hợp chất hữu cơ dạng hạt (POM) có thể đại diện cho một bể chứa SOM quan trọng trong đất đồng cỏ. Phần POM được tách ra bằng cách phân tán đất trong dung dịch hexametaphosphate 5 g L⁻¹ và lọc các mẫu đất đã phân tán qua một lưới 53 µm. Chúng tôi so sánh C POM và C liên kết khoáng trong ba biện pháp canh tác (20 năm canh tác) và một đồng cỏ chưa bị xáo trộn tại Sidney, NE. C POM trong cỏ native đại diện cho 39% tổng hợp chất hữu cơ trong đất. Hai mươi năm quản lý bỏ hoang, trồng trọt nông sản và không cày đã giảm hàm lượng C trong phần này xuống còn 18, 19 và 25%, tương ứng, so với tổng hợp chất hữu cơ. Phần hợp chất hữu cơ liên kết khoáng không cho thấy sự giảm hàm lượng C trong biện pháp bỏ hoang so với đất đồng cỏ nhưng tăng lên trong biện pháp không cày và trồng mật. Động lực nitơ nói chung phản ánh những gì quan sát được ở C. Phân tích phần POM về hàm lượng lignin và cellulose chỉ ra rằng phần này có 47% lignin và có chỉ số lignocellulose là 0,7. Thành phần đồng vị C ổn định của phần POM gợi ý rằng POM có nguồn gốc từ lúa mì phân hủy nhanh hơn so với POM có nguồn gốc từ cỏ. Chúng tôi cho rằng phần POM rất gần với các đặc tính của một bể chứa SOM được mô tả khác nhau là hợp chất hữu cơ phân hủy chậm, có khả năng phân hủy, hoặc đã ổn định.

Công trình này bổ trợ mô hình khái niệm phân lớp về cấu trúc tập hợp đất đã được Tisdall và Oades (1982) trình bày, mở rộng nó ra thực tiễn đất cỏ ở Bắc Mỹ, và làm rõ những khía cạnh liên quan đến ảnh hưởng của canh tác lên việc mất mát chất hữu cơ trong đất. Phân bố kích thước tập hợp quan sát được cho các loại đất của chúng tôi rất giống với những loại đất ở Úc, chỉ ra rằng mô hình vi tập hợp - đại tập hợp có thể áp dụng cho nhiều loại đất cỏ trên toàn thế giới. Việc sử dụng hai phương pháp tưới nước trước khi rây cho thấy đất sod tự nhiên có các đặc tính cấu trúc chung tương tự như đất canh tác nhưng các đại tập hợp thì ổn định hơn. Khi bị nở ra, đất tự nhiên và đất canh tác thuộc các kích thước vi tập hợp có ít C hữu cơ, N và P hơn so với đất còn lại ở dạng đại tập hợp, ngay cả khi được biểu diễn trên cơ sở không có cát. Hơn nữa, tỷ lệ C/N, C/P và N/P của vi tập hợp hẹp hơn so với các kích thước đại tập hợp. Có sự mất mát C và N nhiều hơn P trong điều kiện của nghiên cứu này. Sự khác biệt theo yếu tố trong các quá trình chuyển hóa vi sinh vật so với hoạt động enzym ngoại bào và sự kiểm soát phản hồi đi kèm được suy diễn để giải thích cho sự khác biệt này. Khi các đại tập hợp bị nghiền nát đến kích thước của các vi tập hợp, C có thể khoáng hóa tính theo phần trăm tổng C hữu cơ thường lớn hơn cho các đại tập hợp so với vi tập hợp vào giai đoạn đầu của quá trình ủ trong đất canh tác, và trong suốt thời gian ủ cho đất sod tự nhiên. N có thể khoáng hóa tính theo phần trăm tổng N hữu cơ lớn nhất trong các đại tập hợp ngay cả khi các đại tập hợp không bị nghiền nát. Mô hình khái niệm đại tập hợp - vi tập hợp được áp dụng để giúp giải thích sự tích lũy chất hữu cơ trong đất trong điều kiện tự nhiên và sự mất mát của nó khi canh tác.

Khối lượng và tỷ lệ luân chuyển của sinh khối và carbon hữu cơ hòa tan trong nước (WSOC) đã được đo tại các thửa đất Breton nơi có tư liệu quản lý dài hạn của đất Gray Luvisol. Các thửa đất (đối chứng, bón phân chuồng và NPKS) đã được trồng theo chu kỳ cây lúa mì-nghỉ hoặc chu kỳ cây lúa mì-yến mạch-lúa mạch-thức ăn-thức ăn trong 50 năm đã được lấy mẫu 13 lần trong các năm 1981 và 1982. Carbon sinh khối và khí nitơ vi sinh vật đã được đo bằng kỹ thuật xông chloroform. Năng suất cây trồng lâu dài đã được sử dụng để xác định nguồn carbon cho các thửa đất. Phân tích hồi quy đã được sử dụng để liên hệ giữa sự biến động theo mùa của các điều kiện môi trường và động lực sinh khối cùng với động lực WSOC. Việc tái nhiễm với đất là không cần thiết nhưng Lysobacter sp. tạo thành tỷ lệ cao hơn của các mẫu phân lập sau khi ủ đất xông hơi so với các mẫu không xông hơi. Rất có khả năng rằng việc tái nhiễm với Lysobacter sp. sẽ cung cấp các kiểm định sinh học chuẩn hóa hơn. Chu kỳ 5 năm có 38% lượng nitơ nhiều hơn nhưng 117% nitơ vi sinh vật nhiều hơn so với chu kỳ 2 năm, và các phương pháp bón phân chuồng có chứa gấp đôi lượng nitơ vi sinh vật so với các thửa đất NPKS hay đối chứng. Một hiệu ứng quản lý đối với chất lượng chất hữu cơ trong đất được chỉ ra. Tỷ lệ luân chuyển trung bình của sinh khối nằm trong khoảng 0.2–3.9 năm⁻¹; nhanh hơn 1.5–2 lần trong chu kỳ 2 năm so với chu kỳ 5 năm. Việc bổ sung thành phần WSOC sẽ phải xảy ra 26–39 lần năm⁻¹ để cung cấp sự luân chuyển của vi sinh vật. Hầu hết sinh khối phải ở trong trạng thái ngủ nghỉ vì lượng carbon hàng năm đầu vào ít hơn hai bậc so với yêu cầu năng lượng duy trì. Các biến đổi theo mùa trong sinh khối có mối liên hệ nhất quán nhất với tổn thất trong quá trình khô kiệt và tái sinh khi được làm ẩm. Tái sinh dường như là một khoản chi phí cho carbon hữu cơ trong đất bản địa. Các thực hành quản lý và điều kiện môi trường do đó ảnh hưởng đến lượng chất hữu cơ bằng cách kiểm soát cả đầu vào carbon và luân chuyển sinh khối. Từ khóa: Các chu kỳ cây trồng, Luvisol, chất hữu cơ, sinh khối, carbon hòa tan, các đoạn đất Breton

Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất sử dụng nitơ (N) thấp ở cây trồng là sự bay hơi của amoniac (NH₃) từ phân bón. Thông tin được lấy từ 1667 phép đo sự bay hơi NH₃ được ghi trong 148 tài liệu nghiên cứu đã được tóm tắt để đánh giá ảnh hưởng đến sự bay hơi NH₃ của loại cây trồng, loại phân bón, cùng lượng và cách thức áp dụng, nhiệt độ, cũng như carbon hữu cơ trong đất, kết cấu, pH, CEC, phương pháp đo lường và vị trí đo lường. Bộ dữ liệu đã được tóm tắt theo ba cách: (1) bằng cách tính trung bình cho mỗi yếu tố được đề cập, trong đó các kết quả từ mỗi tài liệu nghiên cứu có trọng số như nhau; (2) bằng cách tính giá trị trung bình có trọng số được điều chỉnh cho các đặc điểm không cân bằng của dữ liệu thu thập; và (3) bằng cách phát triển một mô hình tóm tắt sử dụng hồi quy tuyến tính dựa trên giá trị trung bình có trọng số về sự bay hơi NH₃ và bằng cách tính tổn thất bay hơi NH₃ toàn cầu từ việc áp dụng phân bón với dữ liệu có độ phân giải 0.5° về sử dụng đất và đất đai. Tổn thất trung bình tính được của NH₃ từ việc áp dụng phân N tổng hợp toàn cầu (78 triệu tấn N mỗi năm) và phân động vật (33 triệu tấn N mỗi năm) tương ứng là 14% (10–19%) và 23% (19–29%). Ở các nước đang phát triển, do nhiệt độ cao và việc sử dụng phổ biến urê, amoni sulfat, và amoni bicarbonat, tổn thất bay hơi NH₃ ước tính từ phân bón tổng hợp là 18%, và ở các nước công nghiệp hóa là 7%. Tổn thất ước tính của NH₃ từ phân động vật là 21% ở các nước công nghiệp hóa và 26% ở các nước đang phát triển.

Mối quan hệ giữa dòng nitơ oxit (N₂O) và sự sẵn có của nitơ trong các hệ sinh thái nông nghiệp thường được giả định là tuyến tính, với tỷ lệ nitơ mất như N₂O không đổi bất kể mức đầu vào. Chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu phản ứng phân bón nitơ có độ phân giải cao kéo dài 3 năm tại tây nam Michigan, Mỹ, để kiểm tra giả thuyết rằng dòng N₂O tăng chủ yếu là do sự bổ sung nitơ vượt quá nhu cầu của cây trồng. Chúng tôi đã thêm urê ammonium nitrate hoặc urê hạt tại chín mức khác nhau (0–292 kg N ha⁻¹) vào bốn ô lặp lại của ngô liên tục. Chúng tôi đo dòng N₂O và lượng nitơ sẵn có trong đất hai tuần một lần sau khi bón phân và năng suất hạt vào cuối mùa sinh trưởng. Từ năm 2001 đến 2003, dòng N₂O ở mức bổ sung nitơ đến 101 kg N ha⁻¹, nơi mà năng suất hạt được tối ưu hoá, vào khoảng (ca. 20 g N₂O-N ha⁻¹ ngày⁻¹), sau đó dòng này tăng hơn gấp đôi (lên >50 g N₂O-N ha⁻¹ ngày⁻¹). Phản ứng ngưỡng này của N₂O đối với việc bón phân nitơ gợi ý rằng việc giảm dòng N₂O nông nghiệp có thể đạt được mà không hoặc ít ảnh hưởng đến năng suất bằng cách giảm đầu vào phân bón nitơ xuống các mức chỉ đáp ứng nhu cầu của cây trồng.

Các hệ thống canh tác dựa trên đậu có thể giúp gia tăng năng suất cây trồng và nồng độ chất hữu cơ trong đất, từ đó nâng cao chất lượng đất, đồng thời có lợi ích bổ sung là lưu giữ carbon từ khí quyển. Để đánh giá tác động của 35 năm canh tác ngô đơn canh và canh tác dựa trên đậu đến nồng độ carbon trong đất và sự giữ lại của phụ phẩm, chúng tôi đã đo lường carbon hữu cơ và độ phong phú tự nhiên của ¹³C trong đất dưới các hệ thống: ngô (Zea mays L.) có phân bón và không có phân bón, cả trong hệ đơn canh và luân canh [ngô-yến mạch (Avena sativa L.)-đậu alfalfa (Medicago sativa L.)-đậu alfalfa]; các hệ thống cỏ liên tục (Poa pratensis L.), có phân bón và không có phân bón; và dưới rừng. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trạng thái rắn ¹³C được sử dụng để đặc trưng hóa hóa học của chất hữu cơ trong phụ phẩm thực vật và đất. Các mẫu đất (độ sâu 70 cm) dưới hệ thống canh tác ngô có khoảng 30-40% carbon ít hơn và hệ thống cỏ liên tục có khoảng 16% carbon ít hơn, so với đất dưới rừng lân cận. Sự khác biệt định tính trong phụ phẩm cây trồng rất quan trọng trong các hệ thống này, vì sự khác biệt định lượng về năng suất sơ cấp ròng và đầu vào carbon trong các agroecosystem khác nhau không giải thích cho sự khác biệt quan sát được trong tổng nồng độ carbon của đất. Chuỗi canh tác (tức là, luân canh hoặc đơn canh) có tác động lớn hơn đến nồng độ carbon trong đất hơn là việc áp dụng phân bón. Sự khác biệt về nồng độ carbon trong đất giữa các hệ thống ngô luân canh và đơn canh là khoảng 20 Mg C ha^-1. Tác động của việc bón phân đến carbon trong đất là nhỏ (~6 Mg C ha^-1), và sự khác biệt chỉ được quan sát trong hệ thống đơn canh. Các kết quả NMR cho thấy thành phần hóa học của chất hữu cơ ít bị ảnh hưởng bởi tính chất của phụ phẩm cây trồng được trả lại đất. Tổng số lượng carbon trong đất xuất phát từ ngô là khác nhau trong mỗi hệ thống, vì số lượng phụ phẩm từ ngô trở lại đất là khác nhau; vì vậy, carbon trong đất có nguồn gốc từ ngô dao động từ 23 Mg ha^-1 trong đất có phân bón và 14 Mg ha^-1 trong đất không có phân bón (tức là, sau 35 vụ mùa ngô) đến 6-7 Mg ha^-1 trong cả đất luân canh dựa trên đậu đã được bón phân và không. Tỷ lệ carbon từ phụ phẩm ngô được trả lại đất và giữ lại như carbon hữu cơ trong đất (tức là, Mg carbon trong đất có nguồn gốc từ ngô/Mg phụ phẩm ngô) là khoảng 14% cho tất cả các hệ thống canh tác ngô. Số lượng C3-C dưới lớp cày trong hệ thống luân canh dựa trên đậu lớn hơn 40% so với trong hệ thống đơn canh và khoảng giống nhau với cả đất cỏ liên tục hoặc rừng. Chất hữu cơ trong đất dưới lớp cày trong đất dưới hệ thống luân canh dựa trên đậu dường như ở dạng có khả năng chống lại phân hủy sinh học tốt hơn (tức là, có hàm lượng carbon thơm cao hơn) so với dưới hệ thống đơn canh. Việc giữ lại carbon từ phụ phẩm ngô như chất hữu cơ trong đất lớn hơn từ bốn đến năm lần dưới lớp cày so với bên trong lớp cày. Chúng tôi kết luận rằng chất lượng phụ phẩm đóng một vai trò chủ chốt trong việc gia tăng việc giữ lại carbon trong đất trong các agroecosystem và rằng đất dưới hệ thống luân canh dựa trên đậu có xu hướng "bảo quản" tốt hơn carbon từ phụ phẩm, đặc biệt là từ các đầu vào từ rễ, hơn là đất dưới hệ thống đơn canh. Từ khóa: Carbon trong đất, độ phong phú tự nhiên của ¹³C, cộng hưởng từ hạt nhân ¹³C, canh tác ngô, đậu, carbon rễ