Reduction of nitrogen fertilizer and simultaneously application of organic fertilizer optimizes yield, water productivity and nitrogen metabolism of spring maize by improving soil properties in the Loess Plateau of China

Resumo

A redução do fertilizante nitrogenado com a aplicação simultânea de fertilizante orgânico (RFN) é considerada uma abordagem essencial para realizar o desenvolvimento agrícola sustentável. No entanto, estudos sobre os efeitos no crescimento da cultura, metabolismo de N, produtividade da água, bem como os mecanismos pelos quais os fatores do solo regulam o rendimento de grãos do milho de primavera sob condições de RFN no Planalto de Loess da China, ainda são escassos. Um experimento de campo de três anos (2021, 2022 e 2023) com plantio de milho de primavera com seis tratamentos (sem fertilizante N e fertilizante orgânico substituindo 0%, 12,5%, 25%, 37,5% e 50% do N do fertilizante químico, respectivamente) foi conduzido usando um delineamento de blocos casualizados para estudar o efeito do RFN no crescimento, rendimento, produtividade da água e metabolismo de N do milho de primavera. Os resultados mostraram que as condições de RFN melhoraram significativamente as características de crescimento da cultura e as propriedades do solo, sendo mais proeminentes nas taxas de substituição de 25% e 37,5%. No geral, a taxa de substituição de 25% (37,5%) aumentou o rendimento de grãos, a renda líquida e a produtividade da água em 72,11% (73,24%), 151,82% (154,92%) e 63,86% (64,39%), respectivamente, enquanto otimizou o metabolismo do nitrogênio e as propriedades do solo em comparação com a não aplicação de fertilizante N. Notavelmente, a população microbiana do solo e o nitrato residual afetaram significativamente o rendimento do milho de primavera e podem ser fatores importantes no monitoramento da variação do rendimento. Em resumo, nosso estudo revelou o mecanismo pelo qual o RFN regulou o crescimento da cultura ao melhorar as propriedades do solo, aumentando assim a produtividade da água e a eficiência de uso de N, e, finalmente, aumentando o rendimento de grãos. Portanto, sugerimos que o RFN de 25% e 37,5% pode ser usado na produção agrícola, mas o uso contínuo requer monitoramento para variações na população microbiana do solo e no nitrato residual. Este estudo serve como uma referência importante para o manejo ideal do fertilizante N e a promoção do desenvolvimento agrícola sustentável do cultivo de milho de primavera na região do Planalto de Loess da China.

Abstract

Reduction of nitrogen fertilizer and simultaneously application of organic fertilizer (RNF) is regarded as an essential approach for realizing sustainable agricultural development. Nevertheless, studies on the effects of crop growth, N metabolism, water productivity, as well as the mechanisms by which soil factors regulate grain yield of spring maize under RNF conditions in the Loess Plateau of China, remain lacking. A three-year (2021, 2022, and 2023) field spring maize planting experiment with six treatments (no N fertilizer and organic fertilizer substituting 0 %, 12.5 %, 25 %, 37.5 %, and 50 % of chemical fertilizer N, respectively) was conducted using a randomized block design to study the effect of RNF on growth, yield, water productivity, and N metabolism of spring maize. The results showed that RNF conditions significantly improved crop growth characteristics and soil properties, with the most prominent at 25 % and 37.5 % substitution rate. Overall, the 25 % (37.5 %) substitution rate increased grain yield, net income, and water productivity by 72.11 % (73.24 %), 151.82 % (154.92 %), and 63.86 % (64.39 %), respectively, while optimizing nitrogen metabolism and soil properties compared with no N fertilizer application. Notably, soil microbial population and nitrate nitrogen residue significantly affected spring maize yield and may be important factors in monitoring yield variation. In summary, our study revealed the mechanism by which RNF regulated crop growth by improving soil properties, thereby increasing water productivity and N use efficiency, and ultimately increasing grain yield. Therefore, we suggest that RNF of 25 % and 37.5 % can be used in agricultural production, but continued use requires monitoring for variations in soil microbial population and nitrate nitrogen residue. This study serves as an important reference for the optimal management of N fertilizer and the promotion of sustainable agricultural development of spring maize cultivation in the Loess Plateau region of China.