Improving agricultural nutrient use efficiencies: effects of crop rotation, high carbon amendments and fertilizer application timing on barley

Verbesserung der landwirtschaftlichen Nährstoffnutzungseffizienzen: Effekte von Fruchtfolge, kohlenstoffreichen Ergänzungen und der Zeitpunkt der Düngeranwendung auf Gerste

  • Excessive fertilizer use leads to nutrient imbalances and losses of these to the environment through leaching, runoff and gaseous emissions. Nutrient use efficiency (NUE) in agriculture is often low and improving it could increase the sustainability of agricultural systems. The main aims of this thesis were to gain a better understanding of plant-soil-microbe interactions in order to improve agricultural NUEs. The studies included experimentally tested how crops respond to addition of high carbon amendments, fertilizer application rates and timing, and crop rotations. Furthermore, methods for measurement of roots were compared and a protocol for measurement of roots was developed. The first experiment simulated an agricultural field using mesocosms. In this setting, we tested the effect of 4 previous crops (precrops), which either had or did not have a symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)/rhizobia, on the focal crop (winter barley). We also tested the addition of high carbon amendments (wheat straw/sawdust) for immobilization of residual soil nitrogen (N) at harvest of the previous crop. Overall, the findings were that non-AMF precrops had a positive effect on winter barley yield compared to AMF precrops. Wheat straw reduced N leaching, whereas sawdust addition had a negative effect on the yield of winter barley. Root traits are often measured in static environments, whereas agricultural fertilizer is applied once or multiple times at different crops growth stages. The second experiment tested the effect of different fertilizer (N/phosphorus (P)) application timings on plant traits grown in rhizoboxes. Overall, delaying N application had a more detrimental effect on plant biomass than delaying P application. The root system increased its root length initially due to N-deficiency, but was quickly thus N-limited that root length was relatively lower than the control group. This study emphasizes the need to dynamically measure roots for a mechanistic understanding of root responses to nutrients. Because of the many root related measurements in the second experiment, a step-by-step method for measuring root traits under controlled and field conditions was developed and included in this thesis. This method paper describes precisely how root traits of interest can be measured, and helps with deciding which approach should be taken depending on the experimental design. Additionally, we compared the bias and accuracy of several popular root measurement methods. Although methods well correlated with a reference method, most methods tended to underestimate the total root length. Overall, these results highlight the importance of crop choice in crop rotations and the plasticity of root systems in relation to nutrient application. Our results show high carbon amendments could reduce nitrate leaching after the harvest of crops, especially those with high risk of nitrate leaching, although they had only small impacts on yield. Future research should investigate the applicability in a farm setting, also taking into account financial and practical aspects. Non-AMF precrops could possibly increase yield of the next crop due to a shift to parasitism in agricultural fields, but whether this plays a large role in crop yields should be further investigated for specific soil, crop, and climate conditions. Our results also show the plasticity of root systems in response to nutrients. Understanding and using this plasticity can be useful for improving NUEs by optimizing fertilizer application and selecting root traits that are beneficial for specific environmental conditions.
  • Übermäßiger Düngemitteleinsatz führt zu einem Ungleichgewicht der Nährstoffe und deren Verlust an die Umwelt durch Auswaschung, Oberflächenabfluss und gasförmige Emissionen. Die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) in der Landwirtschaft ist oft niedrig und ihre Verbesserung könnte die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Systeme erhöhen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanze, Boden und Mikroben zu erlangen, um die landwirtschaftliche NUE zu verbessern. In zwei Versuchen wurde experimentell getestet, wie Ackerfrüchte auf die Zugabe von kohlenstoffreichen Zusatzstoffen, auf die Ausbringungsrate und den Zeitpunkt der Düngung sowie auf die Fruchtfolge reagieren. Außerdem wurden Methoden zur Messung von Wurzeln verglichen und ein Protokoll zur Messung von Wurzeln entwickelt. Das erste Experiment simulierte ein landwirtschaftliches Feld mit Hilfe von Mesokosmen. In dieser Umgebung testeten wir den Effekt von 4 Vorfrüchten auf die Hauptkultur (Wintergerste), zum einen mit solchen die in einer Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF)/Rhizobien leben, zum anderen die diese nicht aufweisen. Zusätzlich testeten wir die Zugabe von Zusatzstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt (Weizenstroh/Sägemehl) zur Immobilisierung von Reststickstoff im Boden bei der Ernte der Vorfrucht. Insgesamt zeigte sich, dass Nicht-AMF-Vorkulturen einen positiven Effekt auf den Ertrag von Wintergerste im Vergleich zu AMF-Vorkulturen hatten. Weizenstroh reduzierte die N-Auswaschung, während die Zugabe von Sägemehl einen negativen Effekt auf den Ertrag von Wintergerste hatte. Wurzelmerkmale werden oft in statischen Umgebungen gemessen, wohingegen landwirtschaftlicher Dünger einmal oder mehrmals in verschiedenen Wachstumsstadien der Pflanzen ausgebracht wird. Das zweite Experiment testete daher die Auswirkung verschiedener Düngemittel (Stickstoff(N)/Phosphor (P)) zu unterschiedlichen Zeiten auf die Eigenschaften von Pflanzen, die in Rhizoboxen gewachsen sind. Insgesamt hatte die Verzögerung der N-Applikation eine stärkere negative Wirkung auf die Pflanzenbiomasse als die Verzögerung der P-Applikation. Das Wurzelsystem vergrößerte seine Wurzellänge anfangs aufgrund des N-Mangels, jedoch waren die Pflanzen schnell so N-limitiert, dass die Wurzellänge relativ geringer war als in der Kontrollgruppe. Diese Studie unterstreicht die Notwendigkeit, Wurzeln dynamisch zu messen, um ein mechanistisches Verständnis der Wurzelreaktionen auf Nährstoffe zu erhalten. Aufgrund der vielen wurzelbezogenen Messungen im zweiten Experiment wurde eine Schritt-für-Schritt-Methode zur Messung von Wurzelmerkmalen unter kontrollierten und unter Feldbedingungen entwickelt und in diese Arbeit aufgenommen. Diese Veröffentlichung beschreibt genau wie die Wurzelmerkmale gemessen werden können und hilft bei der Entscheidung, den passenden Ansatz für den jeweiligen Versuchsaufbau zu wählen. Zusätzlich haben wir den systematischen Fehler und die Genauigkeit verschiedener häufig verwendeter Methoden zur Wurzelmessung verglichen. Obwohl die Methoden gut mit einer Referenzmethode korrelierten, tendierten die meisten Methoden dazu, die Gesamtwurzellänge zu unterschätzen. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung der Pflanzenauswahl in Fruchtfolgen und die Plastizität von Wurzelsystemen in Abhängigkeit von der Nährstoffapplikation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zusätze mit hohem Kohlenstoffgehalt die Nitratauswaschung nach der Ernte von Nutzpflanzen reduzieren können, insbesondere von solchen mit hohem Risiko für Nitratauswaschung, obwohl sie nur geringe Auswirkungen auf den Ertrag haben. Zukünftige Studien sollten die Anwendbarkeit in einem landwirtschaftlichen Umfeld untersuchen, auch unter Berücksichtigung finanzieller und praktischer Aspekte. Nicht-AMF-Vorkulturen könnten möglicherweise den Ertrag der nächsten Kultur aufgrund einer regulierenden Wirkung auf den Parasitismus in landwirtschaftlichen Feldern erhöhen. Ob dies eine große Rolle für die Ernteerträge spielt, sollte für unterschiedliche Boden-, Kultur- und Klimabedingungen weiter untersucht werden. Unsere Ergebnisse zeigen zudem die Plastizität von Wurzelsystemen in Reaktion auf Nährstoffe. Das Verständnis und die Nutzung der beschriebenen Plastizität von Wurzelsystemen kann nützlich sein, um die NUE zu verbessern, indem durch eine optimierte Düngeranwendung die Wurzeleigenschaften so beeinflusst werden, dass sie für die jeweiligen Umweltbedingungen bestmöglich angepasst sind.

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Metadaten
Author:Richard Bert van DuijnenORCiDGND
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-11290
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1129
Referee:Vicky M. Temperton (Prof. Dr.)GND, Werner Härdtle (Prof. Dr.)ORCiDGND, Michael Bonkowski (Prof. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of Publication (online):2021/03/17
Date of first Publication:2021/03/17
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2021/01/07
Release Date:2021/03/17
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Ökologie (IE)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 572 Biochemie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht