Effects of nitrogen fertilization on soil phosphorus speciation and soil microbial communities in different rotation cropping systems
양쯔강 유역에서의 11년간의 현장 실험을 바탕으로 한 본 연구는, 균형 잡힌 이모작 질소 시비가 토양 특성과 미생물 군집을 조절함으로써 벼-유채 윤작 체계에서 토양 인 가용성과 미생물 다양성을 유의미하게 향 만큼시키며, 수분 관리가 이러한 효과의 핵심적인 결정 요인임을 밝히고 있다.
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중국 양쯔강 유역의 중심부에서 농부들은 지속적인 과제에 직면해 있습니다. 바로 토양을 고갈시키지 않으면서 어떻게 늘어나는 인구를 먹여 살릴 것인가 하는 문제입니다. 이 지역에서는 두 가지 주요한 작물 재배 방식이 지배적입니다. 하나는 물이 찬 논에서 자라는 벼와 건조한 밭에서 자라는 유채를 교대로 재배하는 방식입니다. 다른 하나는 벼 대신 옥수수를 심어 일 년 내내 두 작물 모두 건조한 상태를 유지하는 방식입니다. 이러한 선택은 지표면 아래의 세계를 매우 다르게 만듭니다. 물이 차오르고 빠짐에 따라 토양이 숨을 쉬는 논에서는 화학적 환경이 극적으로 변합니다. 반면 건조한 밭에서는 토양이 일관되게 통기성을 유지합니다. 두 시스템 모두 성장을 촉진하기 위해 첨가되는 영양소인 질소에 크게 의존하지만, 과학자들은 오랫동안 이 첨가된 질소가 식물 성장에 필수적인 또 다른 영양소인 인과 어떻게 상호작용하는지 궁금해해 왔습니다. 질소는 흔히 풍부하게 존재하지만, 인은 종종 토양 속에 갇혀 있어 식물 뿌리에 보이지 않는 상태로 존재합니다. 토양의 섬세한 생태계 균형을 해치지 않으면서 이 숨겨진 인을 어떻게 해방할 것인지 이해하는 것은 지속 가능한 농업을 위해 필수적입니다.
화중농업대학교의 연구팀은 11년간의 현장 실험을 조사함으로써 이 수수께로를 풀기 위해 나섰습니다. 그들은 서로 다른 질소 시비 전략 하에서 두 가지 윤작 시스템(벼-유채 윤작과 옥수수-유채 윤작)을 비교했습니다. 단순히 땅에 비료를 쏟아붓는 대신, 그들은 구체적인 일정을 테스트했습니다. 즉, 주 작물에만 질소를 공급하는 방식, 두 작물 모두에 질소를 공급하는 방식, 그리고 총량을 변화시키는 방식을 시험했습니다. 그들의 목표는 이러한 결정이 토양 내 인의 화학적 형태를 어떻게 변화시키고 어떤 미생물 군집이 자리 잡게 되는지 확인하는 것이었습니다. 그들은 특히 질소를 한 시즌에 집중하는 것보다 두 재배 시즌에 걸쳐 균형 있게 나누어 공급하는 방식이 더 효과적일지에 주목했습니다.
연구 결과, 물 관리가 토양 환경을 형성하는 가장 강력한 힘이라는 사실이 밝혀졌습니다. 토양이 건조하게 유지되는 옥수수-유채 윤작의 경우, 질소를 추가하면 토양이 더 산성화되었습니다. 이러한 산성도는 갇혀 있던 인 중 일부를 녹여 식물이 이용할 수 있게 만들었지만, 이는 특정 지점까지만 유효했습니다. 연구진이 질소를 너무 많이 투입하자 토양은 지나치게 산성화되어 실제로 이용 가능한 인의 양을 줄이고 토양의 건강을 해쳤습니다. 반면, 주기적인 침수가 있는 벼-유채 윤작은 다르게 반응했습니다. 물의 체계는 질소가 추가되더라도 토양 pH를 안정적이고 중성에 가깝게 유지했습니다. 여기서 침수는 질소 시비를 더욱 뒷받침하며 자연스럽게 철 화합물로부터 인을 방출하는 조건을 만들어냈습니다.
연구는 질소를 적용하는 방법이 총량만큼이나 중요하다는 것을 발견했습니다. 가장 성공적인 전략은 벼(또는 옥수수) 시즌과 유채 시즌 모두에 질소를 적용하는 균형 잡힌 방식이었습니다. 벼-유채 시스템에서 이 균형 잡힌 전략은 이용 가능한 인의 수치를 최고치인 킬로그램당 30.26밀리그램에 도달하게 했습니다. 이는 동일한 균형 처리를 받은 옥수수-유채 시스템의 14.79밀리그램/kg보다 거의 두 배 가까운 수치였습니다. 더욱 중요한 것은, 균형 잡힌 시비가 옥수수 시스템에서 토양이 너무 산성화되는 것을 방지하고 벼 시스템에서 건강한 중성 환경을 유지했다는 점입니다.
토양 아래에서는 이러한 화학적 변화가 미생물의 세계의 변화와 일치했습니다. 연구진은 첨단 시퀀싱 기술을 사용하여 토양에 서식하는 박테리아를 식별했습니다. 그들은 두 윤작 시스템이 물의 체계에 의해 주로 결정되는 서로 다른 미생물 군집을 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 건조한 옥수수 밭은 산소가 풍부한 환경에서 번성하는 박테리아가 지배적이었던 반면, 침수된 벼 논은 인을 방출하기 위해 철을 환원할 수 있는 능력을 가진 박테리아를 포함한 다른 그룹을 지원했습니다. 투입된 질소의 양은 이러한 군집을 더욱 미세하게 조정했습니다. 옥수수 밭에서는 높은 질소 수치가 산성화를 통해 인을 용해하는 데 도움을 주는 박테리아를 장려했습니다. 벼 논에서는 균형 잡힌 질소 시비가 인을 계속 이용 가능하게 만드는 데 협력하는 다양한 미생물 혼합을 지원했습니다.
이 연구는 물 관리가 토양의 화학적 개성을 결정하는 무대를 설정하고, 질소 시비는 그 공연을 강화하거나 방해할 수 있는 감독 역할을 한다는 결론을 내립니다. 연구진은 균형 잡힌 이중 시즌 질소 적용이 식물을 위해 가장 많은 인을 해방하는 동시에 건강하고 다양한 토양 미생물 군집을 지원하는 열쇠라는 것을 발견했습니다. 이 접근 방식은 농부들이 집약 농업을 괴롭히는 토양 산성화를 유발하지 않으면서 작물 영양을 극대화할 수 있게 해줍니다. 비료 적용을 윤작 시스템의 자연스러운 리듬에 맞춤으로써 높은 수확량을 유지하고 미래 세대를 위해 토양을 보호할 수 있으며, 이는 양쯔강 유역과 그 너머의 농업을 위한 실질적인 길을 제시합니다.
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