Synthetic Nitrogen Fertilizers Deplete Soil Nitrogen: A Global Dilemma for Sustainable Cereal Production

Resumo

A produção de cereais que agora sustenta uma população mundial de mais de 6,5 bilhões triplicou durante os últimos 40 anos, simultaneamente a um aumento de 12 para 104 Tg ano⁻¹ de nitrogênio (N) sintético aplicado em grande parte na forma de fertilizantes amoniacais. Esses fertilizantes têm sido manejados como uma forma econômica de seguro contra baixos rendimentos, sem considerar o efeito inerente do N mineral em promover a utilização microbiana do C. Tal efeito é consistente com uma perda líquida de C orgânico do solo recentemente observada para as “Morrow Plots”, o campo experimental mais antigo da América, após 40 a 50 anos de fertilização com N sintético que excedeu substancialmente a remoção de N pelos grãos. Um declínio similar no N total do solo é relatado aqui para o mesmo local e seria esperado da ocorrência predominantemente orgânica do N do solo. Este declínio está de acordo com numerosos conjuntos de dados de base de longo prazo de sistemas de cultivo baseados em produtos químicos envolvendo uma ampla variedade de solos, regiões geográficas e práticas de cultivo. A perda de N orgânico diminui a produtividade do solo e a eficiência agronômica (kg grão. kg⁻¹ N) do N fertilizante e tem sido implicada em relatos generalizados de estagnação ou mesmo declínio do rendimento para a produção de grãos na Ásia. Uma grande avaliação global dos sistemas atuais de produção de cereais deve ser realizada, com vistas a usar avanços científicos e tecnológicos para aumentar as eficiências dos insumos. Como um aspecto desta estratégia, a entrada de N amoniacal deve ser mais precisamente correspondida à exigência de N da cultura. A sustentabilidade de longo prazo pode exigir diversificação agrícola envolvendo uma transição gradual de insumos intensivos de N sintético para rotações de culturas baseadas em leguminosas.

Abstract

Cereal production that now sustains a world population of more than 6.5 billion has tripled during the past 40 yr, concurrent with an increase from 12 to 104 Tg yr−1 of synthetic N applied largely in ammoniacal fertilizers. These fertilizers have been managed as a cost‐effective form of insurance against low yields, without regard to the inherent effect of mineral N in promoting microbial C utilization. Such an effect is consistent with a net loss of soil organic C recently observed for the Morrow Plots, America’s oldest experiment field, after 40 to 50 yr of synthetic N fertilization that substantially exceeded grain N removal. A similar decline in total soil N is reported herein for the same site and would be expected from the predominantly organic occurrence of soil N. This decline is in agreement with numerous long‐term baseline data sets from chemical‐based cropping systems involving a wide variety of soils, geographic regions, and tillage practices. The loss of organic N decreases soil productivity and the agronomic efficiency (kg grain kg−1 N) of fertilizer N and has been implicated in widespread reports of yield stagnation or even decline for grain production in Asia. A major global evaluation of current cereal production systems should be undertaken, with a view toward using scientific and technological advances to increase input efficiencies. As one aspect of this strategy, the input of ammoniacal N should be more accurately matched to crop N requirement. Long‐term sustainability may require agricultural diversification involving a gradual transition from intensive synthetic N inputs to legume‐based crop rotations.