Responses of crop yields, soil enzymatic activities, and microbial communities to different long-term organic materials applied with chemical fertilizer in purple soil

Resumo

A aplicação combinada de materiais orgânicos e fertilizantes químicos é uma abordagem eficaz para melhorar a produtividade das culturas e a qualidade do solo. O solo púrpura caracteriza-se por baixos teores de N, P e C orgânico, que influenciam a produtividade das culturas. Contudo, os materiais orgânicos ideais para melhorar a qualidade desse solo e a produtividade ainda precisam ser esclarecidos. Neste trabalho, conduzimos um experimento de campo de 13 anos (2007 a 2019) na província de Sichuan, China, com o objetivo de avaliar a influência de longo prazo de diversas combinações de materiais orgânicos e fertilizantes químicos sobre as atividades enzimáticas do solo, as comunidades microbianas e a produtividade das culturas. Os tratamentos incluíram fertilizante químico isolado (NPK), NPK com retorno de palha (NPKS), NPK com esterco suíno (NPKM), NPK com resíduo fúngico (NPKF) e NPK com adubo verde (Vicia villosa Rothvar.) (NPKG). Os resultados mostraram que os tratamentos NPKM e NPKF aumentaram significativamente a produtividade média do milho (7,9% e 6,4%, respectivamente) e do trigo (15,7% e 12,9%, respectivamente) em relação ao NPK. O maior índice de produtividade sustentável do milho e do trigo foi observado no tratamento NPKF. A aplicação de longo prazo de resíduo fúngico (NPKF) aumentou significativamente os teores de C orgânico e de P disponível no solo em relação aos tratamentos NPK, NPKS e NPKG: o C orgânico aumentou de 6,95 para 9,12 ± 1,06 g kg−1 e o P disponível de 6,87 para 12,26 ± 2,23 mg kg−1. Em relação ao NPK, o tratamento NPKF aumentou significativamente as biomassas microbianas do solo (C, N e P) e as atividades das enzimas dos ciclos de C, N e P, mas reduziu significativamente o pH do solo. O índice enzimático do solo no tratamento NPKF foi significativamente maior que nos demais tratamentos, 208,6% superior ao do NPK. Além disso, em relação ao NPK, o NPKF alterou a estrutura da comunidade microbiana do solo e aumentou significativamente as razões G+/G− e cy19/18:1ω7c. O N da biomassa microbiana, o N nítrico e o P disponível foram os principais fatores reguladores da alteração da comunidade microbiana no solo púrpura. Concluímos, portanto, que o tratamento NPKF é uma estratégia de adubação eficaz para melhorar a qualidade do solo púrpura e a produtividade das culturas.

Abstract

The combined application of organic materials and chemical fertilizers is an effective approach for improving crop productivity and soil quality. Purple soil is characterized by low N, P, and organic C contents that influence crop productivity. However, the optimal organic materials that can be used to improve purple soil quality and crop yields remain to be clarified. Here, we conducted a 13-year field experiment (from 2007 to 2019) in Sichuan Province, China, intending to assess the long-term influence of various combinations of organic materials and chemical fertilizers on soil enzymatic activities, microbial communities, and crop yields. Treatments included chemical fertilizer alone (NPK), NPK plus returned straw (NPKS), NPK plus pig manure (NPKM), NPK plus fungal residue (NPKF), and NPK plus green manure (Vicia villosa Rothvar.) (NPKG). Results showed that NPKM and NPKF treatments significantly increased the average yields of maize (7.9 and 6.4%, respectively) and wheat (15.7 and 12.9%, respectively) relative to NPK treatment. The highest sustainable yield index value of maize and wheat was observed in NPKF treatment. The long-term application of fungal residue (NPKF) significantly increased soil organic C and available P contents, relative to NPK, NPKS and NPKG treatments, and soil organic C content increased from 6.95 to 9.12 ± 1.06 g kg−1 and available P content from 6.87 to 12.26 ± 2.23 mg kg−1. Relative to NPK treatment, NPKF treatment significantly enhanced soil microbial biomasses (C, N, and P) and soil C-, N- and P-cycling enzyme activities but significantly decreased soil pH. The soil enzyme index following NPKF treatment was significantly higher relative to other treatments and was 208.6% higher than NPK treatment. Additionally, relative to NPK treatment, NPKF treatment altered soil microbial community structure, and significantly increased the rate of G+/G− and cy19/18:1ω7c. Soil microbial biomasses N, Nitrate N, and available P were the main factors regulating the change of microbial community in purple soil. We, therefore, conclude that NPKF treatment is an effective fertilization strategy for improving purple soil quality and crop yields.