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Jul 24, 2023Jul 24, 2023

Scientific Data volume 10、記事番号: 192 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

シーズン後半のトウモロコシ茎硝酸塩試験 (CSNT) は、窒素管理の事後パフォーマンスを評価するのに役立つよく知られたツールです。 CSNT には、トウモロコシの窒素の最適状態と過剰状態を区別する独自の機能があり、農家が将来の窒素の決定を調整できるように、N の過剰適用を特定するのに役立ちます。 この論文は、2006 年から 2018 年までの米国中西部全域の晩期のトウモロコシ茎の硝酸塩検査測定の複数年および複数の場所のデータセットを示しています。このデータセットは、10,675 のトウモロコシ畑からの 32,025 件のトウモロコシ茎の硝酸塩測定値で構成されています。 各トウモロコシ畑の窒素形態、適用される合計窒素量、米国の州、収穫年、および気候条件が含まれます。 利用可能な場合は、前の作物、肥料源、耕耘、窒素散布のタイミングも通知されます。 科学コミュニティが利用できるように、データセットの詳細な説明を提供します。 データは R パッケージを通じて公開され、USDA 国立農業図書館 Ag Data Commons リポジトリやインタラクティブ Web サイトからも入手できます。

窒素 (N) は種子コストに次いで、天水トウモロコシ (Zea maize L.) 生産における最大の投入コストであり、生産性と収益性を維持するために重要です。 窒素肥料は川、湖、大気への損失を通じて環境に悪影響を与える可能性があるため、過剰な施用を避けることが重要です。

現在または最新の N 肥料に関する推奨事項のほとんどは、土壌によって提供される N と植物が必要とする N の間のギャップを推定することを目的としています1。 しかし、N の管理は、N の予算のさまざまな要素を予測する際の不確実性の影響を受けるため、困難です2、3。 窒素管理を評価するには、管理慣行と生育期の情報に加えて、後期トウモロコシ茎硝酸塩試験 (CSNT) と呼ばれるよく知られた診断ツールが、窒素管理の事後パフォーマンスを理解するのに役立ちます。

CSNT は、トウモロコシの茎の地上 20 ~ 36 cm (8 ~ 14 インチ) の部分の硝酸態窒素 (NO3-) 濃度を測定します。この濃度は、成長の約 25% 乳ライン段階から 3 段階までいつでも収集できます。黒色層形成から数週間後4、5、6、7。 植物によって吸収されるが、穀物の生産には必要のない硝酸塩は、茎のこの地上下部に蓄積します。 現在の生育期に干ばつ条件により植物が窒素を吸収できない場合、CSNT の結果は、植物の栄養素の必要量 (窒素の供給量とトウモロコシの窒素の需要量) に対して窒素の摂取量が過剰であることを示している可能性があります。 したがって、理想的には、成長期が 1 回のみに伴う不確実性のため、CSNT は時間をかけて繰り返す必要があります。

トウモロコシの茎の下部にある硝酸塩の濃度値は、通常、トウモロコシの成長に対する窒素の充足度の 4 つのレベルに分類されます。 これらのカテゴリーは、トウモロコシ茎硝酸塩と予測最大収量に対する相対収量との関係に関して定義されました4,8。 それらは次のように説明されます:(i)欠乏(<250 mg NO3--N kg-1 乾燥茎)、これは窒素が収量を制限する可能性があることを示します、(ii)限界(250 ~ 700 mg NO3-N kg-1 乾燥茎) (iii) 最適 (700 ~ 2000 mg NO3--N kg-1 乾燥茎)、これは窒素の利用可能性が穀物の収量を最大化するために必要な最小量に非常に近かったことを示します。これは、収量を最大化するために必要以上に窒素の供給が多かった可能性が高いことを明らかにしています4,8。 CSNT は、最適なトウモロコシ窒素状態と過剰なトウモロコシ窒素状態を区別する独自の機能 9 を備えているため、農家が将来の窒素に関する決定を調整できるように、窒素の過剰適用を特定するのに役立ちます 1。

ここでは、米国中西部におけるフィールドガイド付き CSNT 調査に基づくデータセットを紹介します。 データは2006年から2018年に収集されたもので、アイオワ州農業・土地管理局の総合農畜産管理プログラムを通じてアイオワ州議会によってUSDA天然資源保全イノベーション助成金によって資金提供されたさまざまなプロジェクトの一部でした。 環境防衛基金による。 ウォルトン・ファミリー財団、地元アイオワ州土壌・水保全地区、インディアナ大豆同盟、インディアナトウモロコシマーケティング評議会によって実施され、アイオワ大豆協会農場ネットワーク、環境防衛基金のニュートリエントスターフィールド試験ネットワーク(現在はアンプリファイと呼ばれている)によって実施された。オハイオ州ネットワーク)、インディアナ州農務省、INField Advantage Program、パデュー大学エクステンション、地元インディアナ州の土壌と水の保全地区、ミネソタ州の地元グループ。

中西部の 6 つの州にわたって、合計 10,675 のトウモロコシ畑からの測定値が収集されました (図 1)。 データセットには、32,025 件のトウモロコシ茎の硝酸塩測定値が含まれています。 窒素形態(一般に N 源 10 と呼ばれる)と適用される合計窒素量、米国の州、収穫年、気候条件がサイト年ごとに含まれます(栽培季節の組み合わせによる試験場所)。 入手可能な場合は、前の作物、肥料源、耕耘、窒素散布のタイミングも含まれます。 データセットの一部は査読済みの出版物で以前に報告されていますが、利用可能になっていません3、11、12、13、14。 データは、USDA 国立農業図書館 Ag Data Commons リポジトリ (data.nal.usda.gov15) で公開されています。 また、onfant.dataset16 と呼ばれる R パッケージも提供しています。これにより、新しいフィールドガイド付き調査の結果を追加することで、データセットを保存し、将来簡単に更新できます。 さらに、データセットを操作して説明的な統計概要を提供するオンライン ツールを開発しました。

米国中西部全域でトウモロコシ茎の硝酸塩データが測定された郡レベルでのフィールドガイド付き調査(フィールド)の数。

私たちは、アイオワ大豆協会とアイオワ州立大学との共同 USDA NIFA 助成金の一環として作成された 4 つの異なる情報源からデータを入手しました。 1 つ目は、アイオワ州大豆協会の農場ネットワークによって 2007 年から 2017 年にアイオワ州のすべての郡にある 4,211 の圃場から収集されたデータセットで、合計 12,633 件の CSNT 測定値があります。 2 番目のデータセットは査読済みの論文 3 用に作成され、著者によって共有されました。 これらのデータは、2008 年から 2014 年にミシガン州、オハイオ州、インディアナ州、イリノイ州で収集されました。 これには、803 のフィールドからの合計 3,208 の CSNT 測定値が含まれています。 イリノイ州では、ほとんどのトウモロコシ畑が同じ郡から来ていました (図 1)。 3 番目のデータセットには、2011 年から 2018 年までにインディアナ州の 5,306 のフィールドで収集された 21,219 件の CSNT 測定値が含まれています。 4 番目のデータセットには、2010 年から 2012 年にかけてミネソタ州のほぼ中央地域に位置する 355 のフィールドで収集された 1,065 個の CSNT データが含まれています (図 1)。

サイト座標を使用して、apsimx R パッケージを使用してアイオワ環境メソネット再解析から気象データ (つまり、気温、降水量、成長度日、日射量) を取得しました 17,18。 気象データは R パッケージ onfant.dataset で入手でき、USDA 国立農業図書館 Ag Data Commons (USDA NAL ADC)15 リポジトリに公開されています。 インディアナ州のフィールドの座標は利用できなかったため、郡区または郡の情報を使用しました。 プライバシー上の理由から、サイトの緯度と経度はデータセットでは報告されません。 地図表示では、座標にノイズを追加しました。 少なくとも 1 つの CSNT サンプルが欠落しているフィールド、または適用された合計 N レートが報告されていないフィールドは除外しました。

適用されたさまざまな主要 N 形式の合計 N 比率は、州および以前の作物にわたって対照的な分布パターンを示しています (図 2)。 適用された主要な N 形態のほとんどにおいて、適用された総 N 比率の中央値は、前作物としてのトウモロコシよりも前作物としてのダイズの方が低くなっています。 肥料(ここではすべての種類の肥料を合わせたもの)の施用量の中央値は、特定の州および前の作物に対する市販の肥料、NH3、UAN、および尿素、N フォームの中央値よりも高くなる傾向があります(図 2)。

前の作物および米国の州ごとに適用された最も代表的な窒素肥料形態の合計窒素比率の分布。 トウモロコシ畑の数は、対応する箱ひげ図の上部に表示されます。 合計 N 率が 450 kg/ha 未満の圃場のデータのみが表示されます (技術的検証を参照)。

前作物としてトウモロコシを使用した圃場では、前作物としてダイズを使用した圃場に比べ、CSNT過剰カテゴリーの割合が高く、CSNT欠乏カテゴリーの割合が低かった(図3)。

ローテーション後のトウモロコシ (a) および大豆ローテーション後のトウモロコシ (b) の N 管理 (施用タイミングと N フォームの組み合わせ) ごとの CSNT カテゴリの割合。 申請時期やNフォームに関する情報が欠落しているN管理は表現されていません。 N 管理あたりのトウモロコシ畑の数が、対応するバーの上部に表示されます。 合計 N 率が 450 kg/ha 未満の圃場のデータのみが表示されます (技術的検証を参照)。

CSNT カテゴリの割合は時間の経過とともに変化しました (図 4)。 2008 年と 2009 年には、欠乏カテゴリーの割合は、前作のトウモロコシと大豆で 50% を超えていました。

トウモロコシ (a) と大豆 (b) のローテーション後のトウモロコシの年間 CSNT カテゴリの割合。 年間のトウモロコシ畑の数が、対応するバーの上部に表示されます。 合計 N 率が 450 kg/ha 未満の圃場のデータのみが表示されます (技術的検証を参照)。

データは、割り当てられたデジタル オブジェクト識別子 (データセット DOI: 10.15482/USDA.ADC/1527976) とともに USDA National Agriculture Library Ag Data Commons (USDA NAL ADC)15 リポジトリに公開されています。 完全なデータセットは、GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset) から入手できる R パッケージ onfant.dataset16 (ON-FArm Nitrogen Trials) としても利用できます。 したがって、データセットは後で csv、xlsx、またはその他の同様の表形式としてエクスポートできます。 R パッケージには、データセット全体の 4 つのサブセット (データセット ソースごとに 1 つのサブセット) が含まれています。

列の名前、単位、説明を表 1 に示します。

「Field_ID」は、CSNT 測定値を含むトウモロコシ畑の一意の識別子を記録します。

「Sample_number」は 1 つの CSNT 測定に対応します。 畑の主な土壌タイプに基づいて、「Field_ID」ごとに 3 つのサンプルが採取されました。 したがって、数値 1、2、または 3 が期待されます。

「年」はCSNTを測定した年を示します。

「State」は、対応する「Field_ID」が存在する状態を報告します。

「County」は、対応する「Field_ID」が存在する郡を報告します。

「County_centroid_latitude」と「County_centroid_longitude」は、フィールド内でサンプルが取得された郡の重心の緯度と経度をそれぞれ示します。 プライバシー保護のため、正確な座標は共有されません。 その結果、データセット パブリケーション用にこれら 2 つの変数を取得しました。

「Previous_crop」は、測定年より前に生産された作物です。 過去の主な作物は大豆とトウモロコシです。 頻度が低い以前の作物のカテゴリーには、干し草、ソルガム、小麦、ジャガイモなどがあります。 元の情報で「その他」と報告されている場合は、エントリに対して同じラベルを保持しました。

「肥料の種類」とは、鶏糞、豚糞、牛糞等の有機窒素肥料として施用される肥料の種類を指す。 肥料が施されていない場合、「Manure_type」は「肥料なし」に設定されます。

「Manure_application」は、各エントリが肥料を受け取ったか (「Yes」とラベル付け)、受け取っていないか (「No」とラベル付け) を示します。 全体として、エントリの 88% は「いいえ」とラベル付けされています。

「N_fertilizer_form」では、無機または有機 N 肥料を適用する主要な N フォームについて説明しました。 これらは、尿素、NH3 (無水アンモニア)、または UAN (尿素硝酸アンモニウム) です。 適用される主要な N 形式が肥料である場合、エントリは「Manure_type」に対応します。 元の情報で「その他」と報告されている場合は、エントリに対して同じラベルを保持しました。

「N_fertilizer_form_simplified」は、すべての肥料タイプが「Manure」としてラベル付けされている「N_fertilizer_form」から作成されます。 「UAN」、「NH3」、および「尿素」というラベルを維持し、他のすべての N フォーム タイプは「その他」としてラベル付けされます。

「N_application_timing」は、N タイミング アプリケーション (例: 春、秋、サイドドレス (シーズン初期)) を指します。「夏」や「冬」などの一部のラベルは、少数出現します。

「N_application _timing_simplified」は、「Fall」、「Spring」、「Side-dress」というラベルを保持した「N_application_timing」から作成されます。 他のエントリには「その他」というラベルが付いています。

「N_management」は「N_fertilizer_form」と「N_application_timing」の組み合わせです。

「N_management_simplified」は、「N_fertilizer_form_simplified」と「N_application_timing_simplified」を連結したものです。

「Tillage_use」は、各エントリに耕耘があった(「はい」とラベル付け)か、しなかった(「いいえ」とラベル付け)かどうかを示しました。

「Total_N_rate_lbac」は、主要な「N_fertilizer_form」を含む、トウモロコシの生育期中にすべての形態およびタイミングから適用される合計 N レートを指します。 合計 N レートの単位は、最初に通知されたとおり、エーカーあたりのポンド (lb/ac) です。

「Total_N_rate_kgha」は、「Total_N_rate_lbac」をヘクタールあたりのキログラムに変換したものです。 トウモロコシの場合、1 ポンド/ac は 1.12 kg/ha に相当します19。

「Stalk_nitrate_N」は、データセット内の主要なデータ レコードです。 これは、CSNT を使用した硝酸態窒素濃度 (ppm) に相当します。

「GM_ppm」は、フィールドごとに 3 つのサンプルから計算された茎硝酸塩 N の幾何平均を指します。

「GM_4_category」は、背景セクションで説明したように、トウモロコシの N ステータスを 4 つの N 充足度カテゴリ (限界、欠乏、最適、過剰) に表します。

「GM_2_category」は、トウモロコシの N ステータスを、十分 (「GM_4_category」限界、最適、過剰を含む) とそれ以外の不足の 2 つの N 充足度カテゴリに表現します。

R Shiny20 を使用して、ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) という対話型 Web ツールを開発し、公開しました。 ONFANT は、IP アドレスなどの権限の制限なく、どのユーザーでもアクセスできます。 ONFANT は使いやすいインターフェイスを使用しており、ユーザーは説明的な表示や統計概要にアクセスしてデータセットを探索できます。 ユーザーは、変数を選択し、特定の因子レベルをフィルター処理することで、データセットを操作できます。 たとえば、ユーザーは特定の州に関連するデータを探索したり、前の作物でフィルターしたり、総窒素単位 (kg/ha または lb/ac) を選択したりできます。 N フォームの種類、肥料の散布、N 散布のタイミング、CSNT カテゴリ、および耕耘によって色分けされたトウモロコシ畑の位置のインタラクティブな地図を表示しました。 プライバシー上の懸念のため、地図上の現在のズーム レベルでは正確な座標を特定することはできません。

また、特定の変数の説明にアクセスするには、R パッケージ onfant.dataset で利用可能なヘルプ関数を使用することをお勧めします。 将来的には、R パッケージ onfant.dataset と対話型 Web ツール ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) が更新され、追加データ、新しい視覚化機能、統計概要が追加される可能性があります。

各データセットは 2 人で数回注意深く検査され、農家または作物コンサルタントから提供された合計 N 率の値に特に注意を払いました。 スペルミスを避けるために、変数のラベルとカテゴリ変数の値の数を体系的に検査しました。 また、基本的な統計 (平均値や四分位値など) を実行して情報のタイプミスを修正したり、元のデータセットで外れ値を検証して外れ値をチェックしたりしました。 生データ内の詳細が不明な場合は、可能であればデータプロバイダーに連絡しました。 「Total_N_rate」については度数分布をプロットし、元の記事に戻って極値を確認しました。 私たちは、緯度と経度の変数と郡/州の名前の間の一貫性を注意深く検査しました。

一部のデータセットには CSNT の幾何平均が提供されていますが、計算方法を均一化するために、3 つのサンプルからの生データ (硝酸塩 N 単位 ppm) を使用してこの変数を再度計算しました。 少なくとも 1 つの CSNT サンプルが欠落している場合、フィールドは破棄されました。

査読済みの論文用に作成されたデータセットにはすでに集計されたデータが含まれていましたが、情報が不明確であったり、観察結果に一貫性がない場合には、元のファイルに戻しました。

ほとんどのフィールドの天気情報にアクセスできるにもかかわらず、対応する変数の統一された情報源を得るために、月ごとの降雨量情報を再度取得しました。

適用された合計 N レートが欠落している場合、フィールドは削除され、最終的なデータセットには含まれません。

10,675 のトウモロコシ畑のうち、80 の畑では総 N 濃度が 450 kg/ha (400 lb/ac) を超えていました。 それらのほとんどは適用される主な N 形態として肥料を使用していたため、肥料の栄養素分析ではなく、不適切な肥料帳簿値 (肥料乾物あたりの合計 N 含有量の %) を使用したために、通知された値が高すぎるのではないかと考えられます。 そのため、図では合計 N 率が 450 kg/ha 未満の圃場のデータのみを表示しています。 2~4。

私たちのデータセットの注意点の 1 つは、作物管理情報がすべての圃場について一貫して提供されていないことです。 フィールド管理変数は、データセットを結合できるように簡素化されました。 また、収量データが報告されていないため、収量と CSNT カテゴリの関係、または収量と窒素施用量の関係を調査することはできませんでした。 最後に、プライバシー保護のため、正確な圃場座標が共有されていないため、APSIM21 や DSSAT22 などの作物成長モデルに対するデータセットの使用は制限されています。

このデータセットには、Microsoft Excel、または R23 や Python24 などのその他のソフトウェアから簡単にアクセスできます。

完全なデータセットは GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset) から入手できます。

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この研究に資金を提供してくださった USDA-NIFA に感謝します。 データ作成にご協力いただいた皆様にも感謝いたします。

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アナベル・ローラン、アレックス・クレベリンガ、フェルナンド・E・ミゲス

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スザンヌ・フェイ & ピーター・カイヴェリガ

East Otter Tail Soil and Water Conservation District、米国ミネソタ州パーハム

ネイサン・ウィーズ & ダレン・ニュービル

スターンズ郡土壌および水保護地区、ウェイトパーク、ミネソタ州、米国

マーク・ルフェーブル

パデュー大学農学部、ウェストラファイエット、インディアナ州、米国

ダニエル・クイン

Simplified Technology Services LLC、米国オハイオ州エジャートン

ジョン・マクガイア

コネチカット大学、コネチカット州ストーズ、植物科学および景観建築学科

タオ・ハイイン & トーマス・F・モリス

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AL、AC、SF はデータ レコードをコンパイルおよびクリーンアップしました。 AL、AC、SF はデータセットの技術的検証を実行しました。 AL と FM は原稿の初稿を書き、視覚化を実行しました。 PK、HT、NW、ML、DN、DQ、JMG がデータを提供しました。 PK、TM、FM による資金獲得 すべての著者が原稿の改訂に貢献し、投稿版を読み、承認しました。

アナベル・ローランへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

ローラン、A.、クレベリンガ、A.、フェイ、S. 他。 2006 年から 2018 年までの米国中西部全域のトウモロコシ茎の晩期の硝酸塩測定値。Sci Data 10、192 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41597-023-02071-9

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受信日: 2022 年 10 月 11 日

受理日: 2023 年 3 月 14 日

公開日: 2023 年 4 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02071-9

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