Disminución continua de la materia orgánica del suelo a pesar del aumento de la productividad de las plantas en un 80

Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente volumen 4, Número de artículo: 251 (2023) Citar este artículo

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El objetivo de este estudio fue comprender cómo ocho décadas de labranza afectaron la dinámica de los elementos del suelo. Medimos las propiedades químicas del suelo y la relación 14C:12C (Δ14C) del carbono orgánico en uno de los experimentos de tierras de cultivo más antiguos de Europa con diferentes niveles de adición de fósforo. Las existencias de fósforo total y orgánico del suelo en los 20 cm superiores no difirieron significativamente entre el control y los tratamientos de adición de fósforo después de 80 años, lo que indica la absorción de fósforo por parte de las plantas del subsuelo. Los rendimientos de los cultivos aumentaron de 220 g de peso seco m-2 en 1936 a más de 500 g de peso seco m-2 en la década de 2010. Las reservas de carbono orgánico total y fósforo orgánico total del suelo disminuyeron en un 13,7% y un 11,6%, respectivamente, en los 20 cm superiores del suelo durante el experimento, independientemente de la adición de fósforo. Basándonos en el modelado de Δ14C, mostramos que el tiempo medio de tránsito del carbono en el suelo fue inferior a 10 años, lo que indica que una gran parte de las entradas de carbono al suelo se respira rápidamente. Nuestros resultados sugieren que la práctica agrícola actual en este experimento a largo plazo no es sostenible porque condujo a una disminución continua de la materia orgánica del suelo durante las últimas décadas, a pesar de los aumentos en la productividad de las plantas.

La gestión agrícola a largo plazo debe garantizar que la fertilidad del suelo no se vea comprometida para poder alcanzar los objetivos de sostenibilidad. La mayoría de los estudios sobre la sostenibilidad de la agricultura consideraron el ciclo de los elementos del suelo o el rendimiento de los cultivos, pero pocos estudios han evaluado la sostenibilidad de los agroecosistemas durante varias décadas combinando estos dos aspectos (con la excepción de unos pocos estudios, en su mayoría de modelización1,2). Además, hay muy poco conocimiento basado en observaciones sobre los efectos a largo plazo de la labranza en la biogeoquímica del suelo y la productividad de las plantas, ya que la mayoría de los experimentos sólo se han llevado a cabo durante períodos de años hasta unas pocas décadas. Por lo tanto, los pocos experimentos de campo a largo plazo existentes que se han mantenido durante más de medio siglo pueden proporcionar información muy valiosa sobre los efectos a largo plazo de la labranza, la aplicación de fertilizantes y la eliminación de biomasa en las propiedades y rendimientos del suelo, lo cual es importante como base para el desarrollo de prácticas agrícolas sostenibles3,4.

En algunos experimentos a largo plazo en tierras de cultivo, se descubrió que las reservas de carbono orgánico total (COT) del suelo disminuyeron a lo largo de décadas, independientemente de la aplicación de fertilizantes orgánicos o inorgánicos; por ejemplo, en Suiza en el Experimento de Fertilización Orgánica de Zurich5 o en el experimento en Woburn cerca de Rothamsted, Reino Unido6. Las principales razones de estas disminuciones parecen ser la conversión previa de los sitios a tierras de cultivo que conducen a cambios en los aportes de materia orgánica en combinación con la destrucción de agregados causada por el arado repetido, lo que aumenta la tasa de descomposición7,8,9. Sin embargo, en otros experimentos se encontró que las reservas de TOC disminuyeron sólo en el tratamiento de control que no recibió nutrientes, pero aumentaron en los tratamientos con aplicación de nutrientes inorgánicos (y sin adición de materia orgánica); por ejemplo en el experimento de Bad Lauchsted, Alemania10,11. Estas diferencias entre las parcelas de control y las fertilizadas probablemente sean causadas por diferencias en los aportes de materia orgánica de las plantas al suelo, como resultado de diferencias en la productividad de las plantas.

Los resultados sobre el efecto de la aplicación de fósforo (P) inorgánico sobre las reservas de COT del suelo son bastante ambivalentes. La aplicación de P a menudo aumenta la productividad de las plantas y, por lo tanto, se puede esperar que aumente las reservas de COT, particularmente si se agrega junto con nitrógeno, como en el experimento de Bad Lauchsted11 o el experimento a largo plazo en La Estanzuela, Uruguay12,13. Sin embargo, en algunos experimentos, no se observó ningún efecto significativo de la aplicación de fertilizantes fosfatados sobre las reservas de COT del suelo, como en el Experimento de Fertilización Orgánica de Zurich5. Además, un estudio reciente de un experimento a largo plazo en un sitio de pastizal informó que décadas de fertilización con P inorgánico aumentaron la descomposición de la materia orgánica del suelo (MOS)14. Además, la fertilización con P inorgánico bajo limitación de nitrógeno agotó las reservas de COT del suelo en varios experimentos suecos a largo plazo15. La razón de esto podría ser que la adición de fosfato al suelo puede causar la desorción de la MOS adsorbida, que por lo tanto queda disponible para la descomposición microbiana16,17.

La aplicación de P inorgánico también podría afectar la estequiometría de la MOS y el tamaño de los diferentes depósitos de P en el suelo18. Específicamente, décadas de aplicación de P pueden cambiar la concentración de P disponible para las plantas en el suelo19. La aplicación de P también puede aumentar las reservas de P orgánico18 y el contenido de compuestos orgánicos de P específicos, como el fitato, que es el compuesto de P orgánico más abundante en los suelos20,21.

El objetivo de este estudio fue comprender cómo ocho décadas de producción agrícola y adición de P afectaron las existencias de MOS, la estequiometría de MOS, las reservas de P del suelo y la descomposición de MOS en una tierra de cultivo templada. Para ello, estudiamos un experimento de 80 años de antigüedad en tierras de cultivo en el sur de Suecia que comprende dos tratamientos de fertilización con P y un tratamiento de control y es uno de los experimentos agrícolas más antiguos de Europa. Analizamos el desarrollo del carbono orgánico del suelo, la estequiometría de la MOS, varios depósitos de P del suelo y los rendimientos de los cultivos a lo largo del tiempo en tres tratamientos (control y dos tratamientos de adición de P). Además, medimos el Δ14C del TOC del suelo para dilucidar la dinámica a largo plazo del C orgánico del suelo. El análisis del Δ14C del TOC, en combinación con el modelado, es una herramienta poderosa para comprender la dinámica del TOC. Este es particularmente el caso si las muestras se recolectan en diferentes momentos del mismo suelo. El muestreo repetido permite seguir cómo la llamada bomba 14C, que se deriva de las pruebas de bombas nucleares realizadas en los años 1960, se incorpora al SOM, como trazador del carbono moderno14,22,23.

El TOC del suelo, el nitrógeno total (TN) y el fósforo orgánico total (TOP) disminuyeron linealmente durante cinco décadas entre un 13,8% y un 11,6% en comparación con sus contenidos iniciales, independientemente del tratamiento de fertilización (Fig. 1a, c, e y Tabla 1). Esta disminución en las existencias de TOC de 0,14 t C ha-1 año-1 observada aquí está de acuerdo con un experimento de tierras de cultivo a largo plazo en Suiza que comenzó en 19495. En este experimento, las existencias de TOC disminuyeron entre 0,10 y 0,25 t C ha-1. –1 año-1 en los 20 cm superiores en todos los tratamientos, incluidos aquellos en los que se agregaron fertilizantes orgánicos e inorgánicos. La razón por la que las existencias de TOC disminuyeron en el experimento estudiado aquí es probable que el arado provocara una alteración de los agregados, provocando una mayor descomposición de la SOM7,8,9,24.

Concentraciones de carbono orgánico total (TOC), nitrógeno total (TN) y fósforo orgánico total (TOP) en función del tiempo en los tres tratamientos (a, c, e) y existencias de las mismas variables para el año 2021 separadas por los tres tratamientos (Testigo, P y P6) del experimento de campo (b, d, f). Las concentraciones en función del tiempo se aproximan mediante modelos lineales, para los cuales se dan el valor R2 y P. Los valores P del ANOVA de las acciones se dan en la esquina derecha de los paneles derechos (n = 4). Las barras de error muestran las desviaciones estándar.

Los valores de los parámetros obtenidos de un modelo de carbono (C) de dos depósitos con conexión en serie (Tabla 2) proporcionan una representación razonable de la dinámica temporal del stock de C orgánico y Δ14C, ya sea con entradas constantes de C al suelo o, en un segundo versión del modelo, con entradas de C proporcionales a los rendimientos anuales (Fig. 2b yc). Los dos modelos difieren considerablemente en el tamaño y la tasa de descomposición de las dos fracciones de C, lo que indica que las tendencias en las reservas de C y el radiocarbono a lo largo del tiempo probablemente se deban a una reordenación del tamaño de los depósitos y su tasa de descomposición, pero con una gran incertidumbre con respecto al tamaño y la tasa de descomposición de las dos fracciones de C. dirección de este reordenamiento. El parámetro del modelo \(\gamma\) = 1.44 indica que el aporte de C al suelo equivale al 144% del C en los rendimientos anuales de los cultivos, valor similar al utilizado en la segunda versión del modelo como aporte constante ( equivalente al 150% del rendimiento promedio a largo plazo) según los datos reportados en Bolinder et al. 25. El tiempo medio de tránsito del C en el suelo, que cuantifica la edad media de un átomo de C al abandonar el suelo, fue inferior a 10 años para ambos modelos a pesar de las diferencias en los parámetros del modelo, y la mediana de la distribución del tiempo de tránsito del C fue por debajo de 7,5 años (Tabla 2). Estas distribuciones de tiempo de tránsito indican que los nuevos insumos que ingresan al suelo se respiran relativamente rápido, con alrededor del 50% del C respirado unos pocos años después de ingresar al suelo (2 a 6 años en promedio, Tabla 2), y solo proporciones muy pequeñas. permaneciendo durante más de una década.

Los aportes de carbono al suelo utilizados en las simulaciones, ya sea como aporte constante, se calculan como el 150% del rendimiento promedio según Bolinder et al. 25, o como insumo variable, calculado como una proporción constante de los rendimientos medios de los cultivos entre 1936 y 2021, (a) junto con la firma de radiocarbono del C orgánico total del suelo (valores medidos y predicciones por los dos modelos) y la firma de radiocarbono de la atmósfera (b), las reservas totales de carbono orgánico del suelo y sus dos depósitos predichos por los dos modelos (c), así como la distribución del tiempo de tránsito del carbono orgánico en el suelo predicho por los dos modelos (d). Los datos se derivan de los tres tratamientos del experimento de campo (Control, P y P6). Los rangos de incertidumbre de las predicciones en byc se obtuvieron muestreando las distribuciones posteriores de los valores de los parámetros según su desviación estándar (área oscura) y los valores mínimo y máximo de la distribución (área clara).

Hay sólo unas pocas estimaciones de los tiempos de tránsito del C para suelos y ecosistemas similares a partir de estudios previos. Para una capa vegetal agrícola relativamente similar (0–20 cm) en Suecia, Crow y Sierra26 encontraron un tiempo de tránsito medio de 21,9 años y un tiempo de tránsito medio de 1,06 años, lo que concuerda bien con nuestras estimaciones. Utilizando métodos de aprendizaje automático que integran diferentes fuentes de datos de 14C, Xiao et al.27 informaron tiempos de tránsito medios (edad del C respirado) entre 100 y 500 años para las regiones del norte de Escandinavia, pero esta estimación considera todo el perfil de profundidad de 0 a 100 cm. y puede estar sesgado por la presencia de permafrost. Utilizando resultados de modelos del sistema terrestre, Sierra et al.28 descubrieron que los tiempos de tránsito medios no superan en promedio los 67 años para los suelos superficiales, pero tienen valores mayores para las regiones de latitudes altas. Los valores medios de tiempo de tránsito que obtuvimos son relativamente bajos para la región latitudinal, pero no son muy diferentes de otras estimaciones de tiempos de tránsito de C en suelos agrícolas14,26.

Las dos versiones del modelo no son consistentes a la hora de explicar la contribución de los grupos rápido y lento a la disminución general del TOC a lo largo del tiempo. Mientras que el modelo con entradas constantes predice una disminución general del grupo de ciclos rápidos, el modelo con entradas variables predice una disminución significativa del grupo de ciclos lentos. Independientemente de si los insumos de las plantas modelados se mantienen constantes o aumentan con el tiempo, las tendencias de disminución del COT y de incorporación de radiocarbono en las bombas sólo pueden explicarse por un aumento en la tasa de descomposición del C orgánico del suelo. Nuestro modelo de dos depósitos representa este cambio como un cambio. en las contribuciones relativas de los depósitos de ciclo rápido y lento al depósito total de C orgánico del suelo. Aunque observamos un aumento en la productividad (rendimiento) de las plantas a lo largo de los 80 años, no está claro si los aportes de C al suelo han aumentado proporcionalmente. El rendimiento del cultivo aumentó con el tiempo desde aproximadamente 220 g de peso seco m-2 al comienzo del experimento a más de 500 g de peso seco m-2 en los últimos años del experimento (Fig. 2a). El aumento de la productividad de los cultivos fue el resultado de un mejor control de plagas, variedades de cultivos más productivas y, potencialmente, un período de vegetación ligeramente más largo durante las últimas décadas, como en muchas partes de Europa29. Nuestros hallazgos indican que las reservas de C orgánico del suelo se deterioraron a pesar de un aumento en la productividad de las plantas, lo que podría haber causado un aumento en los aportes de C subterráneo al suelo.

Nuestros resultados concuerdan con otros experimentos a largo plazo que observaron disminuciones en las reservas de COT del suelo en los tratamientos a pesar del aumento del rendimiento de los cultivos, como el Experimento de Fertilización Orgánica de Zurich, Suiza5 y el experimento a largo plazo en La Estanzuela, Uruguay12,13. En nuestro sitio de estudio, la disminución de la MOS parece no tener ningún efecto en el rendimiento de los cultivos hasta el momento, probablemente debido al alto contenido de nutrientes en el subsuelo (ver más abajo). Sin embargo, si la disminución de la MOS continúa a un ritmo similar, probablemente afectará la fertilidad del suelo y actualmente podría afectar otras propiedades del suelo, como la capacidad de retención de agua y la agregación del suelo.

El Δ14C del TOC del suelo al comienzo de la serie temporal en 1968 era muy bajo, −120‰ (Fig. 2b), lo que indica que el C orgánico del suelo se agotó en 14C y, por lo tanto, era viejo. La razón de esto probablemente sea el alto contenido de arcilla del suelo y el clima relativamente frío, lo que conduce a bajas tasas de descomposición. De manera similar, Ellert y Janzen30 informaron que el Δ14C del TOC estaba por debajo de −100‰ en la década de 1960 en los 15 cm superiores de una tierra de cultivo en las Grandes Llanuras de América del Norte con un clima similar al de nuestro experimento de campo. Por el contrario, otros estudios sobre observaciones a largo plazo de Δ14C del TOC del suelo informaron valores más altos incluso para la década de 1950, antes del pico de 14C de la bomba en la atmósfera, para sitios en el Reino Unido y Nueva Zelanda14,22,23. Esta comparación sugiere que el TOC del suelo en nuestro sitio tiene ciclos más lentos que en otros sitios debido al clima más frío.

Encontramos evidencia de la incorporación de radiocarbono en la bomba, a pesar de que el Δ14C del TOC cambió solo ligeramente y se mantuvo por debajo de 0 ‰ durante los 53 años de observación, de 1968 a 2021 (Fig. 2b). Algunos estudios previos en sistemas agrícolas han informado valores mayores de incorporación de Δ14C después de la década de 196014,22,23. Sin embargo, nuestros resultados son consistentes con los de otros ecosistemas con temperaturas y precipitaciones medias anuales bajas, donde Δ14C se mantuvo en valores negativos30. Los bajos valores de Δ14C después de la década de 1960 se deben al hecho de que grandes reservas de C antiguo requieren aportaciones relativamente grandes de bomba 14C para cambiar sustancialmente la firma isotópica de las reservas de TOC. Por lo tanto, es más probable que se observen valores elevados de Δ14C en suelos con bajas existencias de C orgánico y grandes aportes de C orgánico, como por ejemplo en Stoner et al.14. Sin embargo, la tendencia de incorporación de radiocarbono desde la década de 1960 en nuestro sitio fue crucial para parametrizar nuestro modelo de C del suelo, lo que ayudó a identificar un aumento general en la tasa de renovación de C orgánico en los 20 cm superiores.

No hubo diferencias significativas en el fósforo total (TP) y TOP del suelo entre el control y los tratamientos de adición de P en los 20 cm superiores de los suelos después de 80 años de eliminación de biomasa (P > 0,05; Figs. 1f y 3b), lo que sugiere que los cultivos (en el tratamiento de control) absorbieron P del suelo por debajo de los 20 cm. La pequeña y no significativa diferencia en TP de 17 g m-2 entre el tratamiento de control y el de P representa sólo alrededor del 20% del P que se ha eliminado con la cosecha durante 80 años. Por lo tanto, la absorción sustancial de P del suelo por parte de las plantas debe ocurrir por debajo de los 20 cm. La absorción de P por parte de las plantas desde menos de 20 cm parece probable dado que el contenido de P del suelo aumenta fuertemente por debajo de los 25 cm31, lo que está relacionado con los dos materiales parentales diferentes del suelo31,32. Este hallazgo pone en duda la conclusión de un análisis reciente sobre ensayos de fertilización con P, que afirma que la mayor parte del P absorbido por las plantas se origina en la capa superior del suelo33.

Concentraciones de fósforo total (TP), fitato-fósforo (fitato-P) y fósforo extraíble con lactato de amonio (P-AL) en función del tiempo en los tres tratamientos (a, c, e) y existencias de las mismas variables. para el año 2021 separados por los tres tratamientos (Testigo, P y P6) del experimento de campo (b, d, f). Los modelos lineales que describen las concentraciones en función del tiempo se muestran si P ≤ 0,055, y el valor R2 y P de los modelos lineales se dan en los paneles de la izquierda. Los valores P del ANOVA de las poblaciones se dan en la esquina derecha de los paneles derechos, y letras diferentes indican diferencias significativas (P <0,05) entre los tres tratamientos (n = 4). Las barras de error muestran las desviaciones estándar.

La concentración de P de los granos fue en promedio de 3,7 mg g-1 (Figura complementaria S1), y el rendimiento, promediado durante todo el período del experimento, es decir, de 1936 a 2021, fue de 385 g de peso seco m-2 año- 1. Por lo tanto, se eliminaron en promedio 1,42 g P m-2 año-1 sólo debido a la eliminación de rendimientos (ignorando la eliminación de P debido a la cosecha de hojas y tallos). Este valor está por debajo de la tasa de fertilización de 1,75 g P m-2 año-1 en el tratamiento de adición de P. Sin embargo, los altos rendimientos más allá de 600 g de peso seco m-2 año-1, logrados durante la última década, particularmente en el tratamiento fertilizado con P (Fig. 4), conducen a una eliminación de más de 2,2 g P m-2 año-1. , que está más allá de la cantidad de adición anual de P. El P requerido para los altos rendimientos de la última década actualmente parece derivarse del subsuelo, tanto de las reservas naturales de P como del excedente de P que se agregó en las primeras décadas del experimento y probablemente se acumuló en el subsuelo muy arcilloso.

El rendimiento relativo del cultivo (en %) en los dos tratamientos de adición de P (P y P6) se calcula para cada año como el rendimiento del tratamiento dividido por el rendimiento del control multiplicado por 100.

La adición de P aumentó significativamente los rendimientos en un 26 y un 30 % en los dos tratamientos de adición de P durante todo el período del experimento, es decir, de 1936 a 2021 (Fig. 4). Este aumento en los rendimientos es muy alto en comparación con los experimentos de adición de P a largo plazo en Europa continental. Un metaanálisis reciente encontró que el aumento medio en el rendimiento de los cultivos no superó el 4% en 30 ensayos de fertilización con P en Alemania y Austria, para todos los niveles de aplicación de fertilizante con P34. La razón de la respuesta comparativamente alta del agroecosistema estudiado aquí a la fertilización con P es probablemente el alto contenido de arcilla del suelo que inmoviliza una gran parte del PT, y el hecho de que el suelo ha recibido menos fertilizante con P durante el último siglo que muchos suelos en Europa continental que fueron fuertemente fertilizadas a principios de la segunda mitad del siglo XX19.

Encontramos que las existencias de TOC y Δ14C no difirieron significativamente entre los tres tratamientos de fertilización en 2021 (P > 0.05; Fig. 1b), lo que indica que el aumento de la productividad de las plantas resultante de la fertilización con P (Fig. 3) no tuvo un efecto significativo en las existencias de TOC y incorporación de C orgánico. La razón por la que no observamos una disminución en el TOC debido a la aplicación de P, como se observó en otros experimentos15,35,36, podría ser que el efecto de la adición de fosfato en la desorción de la MOS juega sólo un papel subordinado en suelos en los que la MOS se encuentra en gran medida. estabilizado por sorción a minerales arcillosos y no a óxidos de hierro y aluminio. Esto está respaldado por el hecho de que se ha observado un efecto negativo de la adición de fosfato sobre la sorción de materia orgánica principalmente en suelos que contienen altas concentraciones de óxidos de hierro y aluminio o alofanos cargados positivamente, es decir, ferralsoles, podzoles y andosoles, pero menos en suelos fuertemente dominado por minerales arcillosos17,37.

Los tratamientos con P difirieron significativamente del tratamiento de control en P disponible para la planta (P-AL), pero no en los contenidos de fitato-P y TOP en 2021 (Fig. 3b, d, f), lo que indica que la falta de aportes de P en el control El tratamiento no conduce a la extracción de P de la MOS, sino a una mayor absorción de P de la reserva de P-AL por parte de la planta. Décadas de adición de P no tuvieron un efecto significativo en la relación MOS C:P (es decir, la relación TOC:TOP). La razón de esto es probablemente que la relación TOC:TOP ya era muy baja en 1968 en el control y, por lo tanto, una mayor incorporación de P orgánico es bastante improbable. La relación molar TOC:TOP fue sólo de 139 en el suelo estudiado aquí, mientras que en promedio global, la capa superior del suelo de las tierras de cultivo en la zona templada tiene una relación molar TOC:TOP de 30938. La razón de la baja relación TOC:TOP en el El suelo estudiado aquí es probablemente de textura muy fina (45% de arcilla, ver Tabla S1). Esto está respaldado por la observación de que la fracción del tamaño de arcilla de la capa superior del suelo de las tierras de cultivo en la zona templada generalmente tiene una relación TOC:TOP mucho menor que la fracción del tamaño de limo o arena, en un promedio global de 19738,39, lo que está relativamente cerca de la relación TOC:TOP del suelo a granel estudiado aquí. Es probable que la arcilla estabilice compuestos fosforilados preferentemente orgánicos porque tienen una alta afinidad para adsorberse a los minerales del suelo a través de su grupo fosfato, lo que lleva a una relación TOC:TOP baja en la fracción de arcilla y en suelos arcillosos38,39,40. Dado que los compuestos orgánicos fosforilados se adsorben fuertemente en las superficies minerales, lo que probablemente ralentiza su descomposición en relación con los compuestos no fosforilados, nos abstenemos de calcular las tasas de mineralización de P orgánico a partir de nuestro modelo C.

Además, sólo el 31% del TOP estaba formado por fitato-P. La razón de la contribución relativamente baja de fitato-P al pool TOP en comparación con otros suelos21 podría ser que el alto contenido de arcilla del suelo también estabiliza otros fosfomonoésteres y fosfodiésteres que podrían descomponerse sustancialmente más rápido en suelos con una textura más gruesa.

Concluimos que los altos rendimientos de los cultivos en el tratamiento de control se basan en la absorción de P por las plantas del suelo por debajo de los 20 cm (y no del P orgánico o inorgánico en la capa superior del suelo), ya que las reservas de TOP y TP del suelo en los 20 cm superiores en el tratamiento de control no difieren significativamente de los de los tratamientos de adición de P. Encontramos que las existencias de TOC y TOP del suelo disminuyeron en un 13,8% y un 11,6%, respectivamente, en los 20 cm superiores de los suelos durante los últimos 53 años, en todos los tratamientos. Los resultados sugieren que el uso agrícola del suelo no es sostenible porque condujo a un agotamiento continuo de la MOS que se acumuló varias décadas o siglos antes del uso agrícola del suelo. Con base en el modelado de Δ14C, mostramos que el tiempo medio de tránsito del C en el suelo fue inferior a 10 años, lo que indica que una gran parte de las entradas de C al suelo se respiran rápidamente, mientras que solo una pequeña proporción de las entradas de C permanece en el suelo. suelo durante varias décadas. Este hallazgo sugiere que el contenido de TOC del suelo sólo responde muy lentamente a los cambios en los aportes de C orgánico al suelo. Nuestro estudio demuestra que los experimentos agrícolas a largo plazo (>50 años) son cruciales para comprender el ciclo de elementos en el sistema planta-suelo en escalas de tiempo relevantes para el desarrollo sostenible de los agroecosistemas.

El experimento de campo a largo plazo se lleva a cabo en el suroeste de Suecia (58°20'49,9“N y 13°07'36,1“E) en la estación de campo Lanna, mantenida por la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas (SLU). La temperatura media anual y la precipitación media anual fueron de 6,1 °C y 558 mm en el período 1961-1990, y de 7,3 °C y 584 mm en el período 1991-2020. El experimento se sitúa a 75 m sobre el nivel del mar, en una llanura de depósitos de arcilla glaciares del Cuaternario. La arcilla glacial está cubierta por una marga arcillosa limosa postglacial de aproximadamente 30 cm de espesor32. La zona fue drenada a finales del siglo XIX para permitir la producción de cultivos31. El suelo está clasificado como Haploborol Udertic con una capa superior arcillosa limosa y un subsuelo arcilloso, ambos con una fuerte estructura de bloques subangulares gruesos41. El suelo en los 20 cm superiores tiene una textura muy fina y contiene 42% de arcilla y 15% de limo fino (Tabla S1). El pH del suelo fue en promedio 6,3 durante los 53 años de observación, y no hubo ningún efecto significativo de la aplicación de P (ver Suplemento Fig. S2).

El experimento consta de dos mitades idénticas, una comenzó en 1936 y la otra en 1941. En cada una de las dos mitades del experimento, cada tratamiento se replica dos veces (total n = 4). (Cada tratamiento solía repetirse cuatro veces en cada mitad del experimento hasta la década de 1970, cuando se utilizaron dos réplicas por mitad experimental para un nuevo tratamiento adicional con cal). Para el presente estudio sólo se consideraron tres tratamientos. Un tratamiento control que no recibe P, un tratamiento de adición de P (denominado en lo sucesivo tratamiento P) en el que se aplican 1,75 g P m-2 año-1, y un segundo tratamiento de adición de P (denominado en lo sucesivo P6), en al cual se agrega la misma cantidad de P por año pero concentrado cada seis años, es decir, 10,5 g P m−2 cada 6 años. Se añade P como superfosfato. Además, los tres tratamientos (Control, P y P6) reciben Ca(NO3)2 anualmente. El tamaño de la parcela es de 7,0 m × 7,0 m. El experimento (que tiene el número de referencia R3-1001) comprende también tratamientos con cal que no se consideran aquí, pero que fueron analizados recientemente con respecto a los efectos del encalado en la dinámica del P del suelo por Simonson et al. (2018)42 y efectos del encalado en el rendimiento de los cultivos por Börjesson y Kirchmann43. Durante los primeros 20 años del experimento, se mantuvo una rotación fija de cultivos de siete años, consistente en trigo de invierno, guisantes, cereales de primavera, ley, ley (segundo año), cereales de primavera y barbecho. Durante cada rotación, todas las parcelas fueron fertilizadas dos veces con estiércol de corral a razón de 2,0 kg m-2. Desde finales del decenio de 1950, la rotación ha cambiado y ahora se compone principalmente de cereales y, ocasionalmente, de colza y barbecho. Desde la década de 1950 ya no se utiliza estiércol y no se aplica ningún fertilizante fosfatado excepto el tratamiento experimental. El suelo se ara una vez al año, hasta 20 cm, y los residuos de la cosecha se dejan en el campo.

Los rendimientos de los cultivos se han medido (casi) todos los años desde el comienzo del experimento. Se recolectaron muestras de suelo de los 20 cm superiores cada seis años antes de la fertilización con P. Estas muestras se secaron al aire y se tamizaron (<2 mm), eliminando las raíces del suelo. Hasta 2019, las muestras de suelo de las réplicas de cada tratamiento se combinaban antes de los análisis químicos (pH y P-AL) y el archivo de las muestras. Existen muestras de suelo archivadas de los tres tratamientos (Control, P y P6) de los años 1968, 1977, 1980, 1989, 2001, 2003, 2013, 2015 y 2019, con la excepción de que de 1968 solo dos muestras (Control y P) se han conservado. Además, se determinó cada año el contenido total de P de los rendimientos (granos) para el período 1995-2009.

Para el presente estudio, se recolectaron muestras de suelo de las cuatro réplicas de los tres tratamientos (Control, P y P6). Específicamente, en el otoño de 2021 se tomó una muestra compuesta que constaba de cinco núcleos de los 20 cm superiores de cada parcela. Estas muestras se secaron al aire y se tamizaron (<2 mm), eliminando las raíces del suelo. A diferencia de las muestras de años anteriores, las muestras de todas las réplicas se analizaron por separado. Junto con las muestras de suelo archivadas, las muestras de suelo examinadas en el presente estudio cubren un período de 53 años (1968-2021) y forman una serie temporal de 10 puntos.

El P disponible en las plantas (P-AL) se extrajo de los suelos mediante lactato ácido de amonio según el método de Egnér et al.44. Brevemente, se agitaron 5 g de suelo durante 1,5 h en una solución que contenía lactato de amonio 0,1 M y ácido acético 0,4 M, con un pH ajustado a 3,75. La suspensión se filtró (0,2 μm) antes del análisis utilizando espectroscopia de emisiones ópticas de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES; Avio 200, Perkin Elmer).

El pH se midió después de suspender 6,0 g de suelo en 18 ml de H2O.

El P orgánico se determinó según Saunders y Williams45 y Williams y Saunders46 como se especifica en Pansu y Gautheyrou47. Brevemente, cada muestra se separó en dos alícuotas, cada una de 1 g. La primera alícuota se extrajo directamente en H2SO4 0,5 M en un agitador horizontal durante 16 h. La otra alícuota se calcinó a 550 °C durante 2 h y posteriormente se extrajo en H2SO4 de la misma manera que la muestra no calcinada. El P inorgánico se midió en los extractos mediante el método del azul de molibdeno según Murphy y Riley48 utilizando un sistema de flujo continuo (AA500, Seal). El P orgánico total se calculó como la diferencia entre el P inorgánico en muestras encendidas y no encendidas. El P en la muestra no inflamada se considera P total (TP).

El inositol-hexakisfosfato (en lo sucesivo llamado fitato) se determinó en el suelo según Turner49. Brevemente, se extrajo fitato de los suelos en una solución que contenía NaOH 0,25 M y EDTA 50 mM. Se aisló de otros fosfatos orgánicos mediante oxidación de hipobromito. El P total en la solución de fitatos purificados se determinó utilizando ICP-OES (Avio 200, Perkin Elmer).

El C orgánico total y el N total se midieron mediante combustión utilizando un analizador LECO CNS-2000. Además, también se midió el C inorgánico utilizando un analizador LECO CNS-2000 para confirmar que los suelos estaban libres de carbonatos.

La relación 14C:12C de TOC se analizó utilizando el espectrómetro de masas acelerador MICADAS (Ionplus, Dietikon, Suiza) en el Instituto Max Planck de Biogeoquímica en Jena, Alemania. La relación de radiocarbono se informa como Δ14C en por mil [‰], que es la fracción con respecto a la relación de isótopos estándar (estándar de ácido oxálico SRM-4990C; Steinhof et al., 201750) incluida la normalización para δ13C (corrección de fraccionamiento) y la corrección por el decaimiento entre 1950 y el momento de la medición51.

Para el análisis de textura, se combinaron muestras de los tres tratamientos de cada mitad del experimento. Se trataron previamente con H2O2 y luego se determinó la distribución del tamaño de las partículas mediante tamizado en húmedo y sedimentación.

El contenido de P del rendimiento se evaluó hirviendo los granos molidos en HNO3 al 65% y se analizó el P total del digesto filtrado utilizando ICP-OES (Avio 200, Perkin Elmer).

Las existencias se calcularon para los 20 cm superiores de los suelos basándose en una densidad aparente de 1,3 g cm-3 informada por Simonson et al. (2018)42. Por lo tanto, nuestro cálculo de existencias no captura los cambios potenciales en la densidad aparente que podrían haber ocurrido durante el experimento de campo. El rendimiento relativo (en %) de los dos tratamientos de adición de P se calculó para cada año como el rendimiento en el tratamiento dividido por el rendimiento en el control multiplicado por 100. Probamos diferencias significativas en las propiedades químicas del suelo entre los tres tratamientos en 2021 mediante ANOVA seguido de la prueba de Tukey, y consideramos P <0,05 como umbral de significancia. Se probó la normalidad de los residuos del modelo ANOVA mediante la prueba de Shapiro-Wilk y la homogeneidad de la varianza mediante la prueba de Levene para verificar que se cumplieran los supuestos de normalidad y homogeneidad de la varianza. Calculamos modelos lineales y monoexponenciales para las propiedades químicas del suelo y el rendimiento relativo en función del tiempo. El ajuste del modelo lineal y el modelo exponencial que describe el contenido de elementos del suelo en función del tiempo se compararon utilizando el Criterio de Información de Akaike (AIC) y el error estándar residual. Ambos modelos se ajustaron igualmente bien para todas las variables del suelo (Tabla S2). Todos los análisis de datos se realizaron utilizando R (versión 4.1.1, R Core Team, 202152).

Utilizamos datos sobre las reservas de TOC del suelo, el radiocarbono en el suelo a granel y los rendimientos anuales de los tres tratamientos para informar un modelo de dos grupos que representa la dinámica de un grupo de C rápido y uno lento (\({C}_{f}\ ) y \({C}_{s}\)). El modelo se puede expresar como

con condiciones iniciales \({C}_{f0}\left(t=0\right)=\beta {C}_{0},{C}_{s0}\left(t=0\right)=( 1-\beta ){C}_{0}\); donde \({C}_{0}\) es el contenido de TOC inicial y \(\beta\) es la proporción del TOC inicial en el grupo rápido. \(Y\) representa el rendimiento anual (en unidades de g Cm−2), \(\gamma\) es una proporción y \(\gamma Y\) la cantidad de rendimiento que equivale al aporte de C al suelo. Las tasas de descomposición para los grupos rápido y lento están representadas por los símbolos \({k}_{f}\) y \({k}_{s}\), respectivamente. El modelo supone que una proporción del carbono orgánico se transfiere del depósito rápido al depósito lento, lo que se expresa mediante el símbolo \({\alpha }_{{sf}}\), y a menudo se denomina 'humificación'. o coeficiente de 'eficiencia en el uso de carbono'. El modelo es similar en estructura al modelo ICBM3 que se ha utilizado ampliamente para representar la dinámica del C y N en suelos agrícolas suecos.

Tenga en cuenta que en el modelo presentado anteriormente, los aportes de C al suelo son proporcionales al rendimiento anual. Sin embargo, es posible que los aportes de C al suelo no aumentaran linealmente con los rendimientos de los cultivos. Por lo tanto, probamos adicionalmente una segunda versión del modelo en la que las entradas de C son constantes en el tiempo. Siguiendo a Bolinder et al.25, quienes informaron datos sobre la asignación relativa de C al rendimiento y a los aportes totales de C al suelo, calculamos el aporte de C como el 150% de la asignación de C al rendimiento (y el rendimiento se calculó como el rendimiento promedio durante el período). duración total del experimento). Por lo tanto, las dos versiones del modelo representan dos supuestos contrastantes, ya sea entradas constantes de C al suelo (a pesar de los rendimientos crecientes) o aumentos lineales en las entradas de C junto con aumentos en los rendimientos.

Usamos el paquete R SoilR53 para implementar una versión de radiocarbono de los modelos, y usamos el paquete R FME54 para obtener valores de parámetros usando asimilación de datos inversa en dos pasos; con una optimización clásica en un primer paso para obtener valores anteriores para los valores de los parámetros, y con un procedimiento Monte Carlo de cadena de Markov para obtener valores de los parámetros posteriores en un segundo paso. Usamos el stock de TOC y los datos de radiocarbono en la función de costos y obtuvimos conjuntos de los mejores valores posibles para \(\gamma\), \({k}_{f}\), \({k}_{s}\) , \({\alpha }_{{sf}}\), y \(\beta\) con su respectiva incertidumbre. El modelo fue impulsado por la serie temporal de rendimientos anuales y la curva de la bomba atmosférica55. El procedimiento de optimización buscó la combinación de parámetros que minimicen el error entre las predicciones del modelo y las observaciones de las reservas de TOC y el radiocarbono del suelo. Para obtener la distribución del tiempo de tránsito predicha por el modelo, utilizamos el mejor conjunto de parámetros del modelo y aplicamos las ecuaciones para las distribuciones del tiempo de tránsito descritas en Metzler y Sierra56.

Nos abstenemos de presentar edades de radiocarbono en años porque en sistemas abiertos, como los suelos, el radiocarbono se intercambia continuamente con la atmósfera y no se puede realizar la datación tradicional por radiocarbono57.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen del informe de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Todos los datos están disponibles en este repositorio. https://doi.org/10.5281/zenodo.8070747.

Todo el código para reproducir los resultados está disponible en este repositorio. https://doi.org/10.5281/zenodo.8070747.

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Los autores agradecen a todo el personal técnico que llevó a cabo el experimento durante 80 años y a los científicos involucrados en la recopilación de datos sobre el experimento. También agradecemos al personal técnico que realizó los análisis químicos y, en particular, a Oscar Skirfors por realizar los análisis de P del suelo en SLU. Agradecemos el apoyo del Centro de Análisis de 14C del Instituto Max Planck de Biogeoquímica en Jena.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas.

Departamento de Suelos y Medio Ambiente, Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Uppsala, Suecia

Marie Spohn y Sabina Braun

Departamento de Ecología, Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Uppsala, Suecia

Carlos A. Sierra

Departamento de Procesos Biogeoquímicos, Instituto Max Planck de Biogeoquímica, Jena, Alemania

Carlos A. Sierra

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MS y CAS conceptualizaron el estudio, analizaron datos y escribieron el manuscrito. SB lidera el experimento de campo a largo plazo y contribuyó al análisis y redacción de datos.

Correspondencia a Marie Spohn.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Earth & Environment agradece a Jonathan Sanderman y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales: Kate Buckeridge y Clare Davis. Un archivo de revisión por pares está disponible.

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Spohn, M., Braun, S. & Sierra, CA Disminución continua de la materia orgánica del suelo a pesar del aumento de la productividad de las plantas en un experimento de adición de fósforo que se realizó hace 80 años. Entorno Terrestre Comunitario 4, 251 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00915-1

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Recibido: 06 de enero de 2023

Aceptado: 28 de junio de 2023

Publicado: 12 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00915-1

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