Soil microorganisms as hidden miners of phosphorus in soils under different cover crop and tillage treatments

Abstract

Phosphorus (P) is one of the most limiting plant nutrients for agricultural production. The soil microbial community plays a key role in nutrient cycling, affecting access of roots to P, as well as mobilization and mineralization of organic P (Porg). This thesis aimed to better understand the potential of cover crops to enhance plant-soil-microbe interactions to improve the availability of P. This dissertation consists of a meta-analysis of and two field experiments. The used methods showed that microbial P, the activity of P-cycling enzymes and PLFAs increased under cover crops, indicating an enhanced potential for organic P cycling. Gram- positive and Gram-negative bacteria, and to a lesser extent also arbuscular mycorrhizal fungi, increased their abundance with cover crops. However, saprotrophic fungi could benefit most from the substrate input derived from cover crop roots or litter. Enzyme-stable Porg shifted towards pools of a greater lability in the active soil compartments (rhizosheath and detritusphere). The effects of agricultural management, such as cover crop species choice and tillage, were detectable, but weaker compared to the effect of the presence of cover crops. With the obtained results, the research aims of this thesis could be successfully addressed. We were able to confirm that cover crops have the potential to improve main crops’ access to P. Furthermore, we presented and discussed three pathways of P benefit. In the plant biomass pathway, P is cycled through cover crop biomass and becomes available for the main crop upon litter decomposition. The microbial enhancement pathway describes how the cover crop’s interaction with soil microbes increases their abundance and activity, thereby increasing the availability of Porg. Some cover crop species seem to be capable of utilizing a biochemical modification pathway, where changes in the sorption capacity of the soil result in a greater quantity of plant-available phosphate. However, the latter pathway was apparently not important in the crop rotations used in our field experiments. The data also allowed us to characterize ways in which plant-soil-microbe interactions under cover crops affected the relationship of soil microbial functions to the enzymatic availability of Porg pools. Cover crops increased the abundance and activity of microbes, especially fungi, as well as microbial P. This enhancement in P-cycling potential shifted Porg toward pools of greater availability to added enzymes. However, the relation between enzymes and Porg pools is complex and is possibly affected by soil P composition and other site characteristics, indicating the need for further research in this area. Finally, we elucidated how the choice of cover crop species and agricultural management can shift the relative importance of the pathways for the P benefit of the main crop, while site-specific management allows farmers to adapt to local conditions and to optimize the functions of their agroecosystems. In conclusion, our results indicate that the pathways of cover crop derived P benefit take place simultaneously. We confirmed the potential of cover crop biomass for the cycling of P, and we suggest that our observed increases in the availability of soil Porg are related to microbial abundance and activity. The interactions of cover cropping and tillage indicate also that P benefit can be optimized by management decisions. Finally, these new insights into soil phosphorus cycling in agroecosystems have the potential to support further development of more sustainable agricultural systems.

Phosphor (P) ist einer der wichtigsten limitierenden Naehrstoffe fuer das Pflanzenwachstum in der Landwirtschaft. Bodenmikroben spielen eine Schluesselrolle in Naehrstoffkreislaeufen, beeinflussen das Wachstum von Pflanzenwurzeln, die Mobilisierung sowie die Mineralisierung von organischem P (Porg) und somit den Zugang zu P. Das Ziel dieser Dissertation war die Einschaetzung des Potentials von Zwischenfruechten zur Verbesserung der Interaktionen im System Pflanze-Boden-Mikroben und einer dadurch moeglichen Steigerung der P-Verfuegbarkeit fuer die Hauptfruechte. Diese Dissertation umfasst drei wissenschaftliche Veroeffentlichungen: Eine Literaturrecherche und Meta-Analyse sowie zwei selbst durchgefuehrte Feldexperimente. Die verwendeten Methoden zeigten, dass Zwischenfruechte den P-Gehalt in der mikrobiellen Biomasse, die Aktivitaet von Phosphatasen und mikrobielle Fettsaeuremarker (PLFAs) erhoehen, was auf ein gesteigertes Umsatzpotential von organischen Phosphorverbindungen hindeutet. Die Abundanz von grampositiven und gramnegativen Bakterien, sowie in geringerem Umfang auch von arbuskulaeren Mykorrhizapilzen, wurde durch Zwischenfruechte erhoeht. Gleichwohl waren saprotrophe Bodenpilze die mikrobielle Gruppe, die am meisten von der Substratzufuhr der Wurzeln und Streu profitieren konnte. Stabiles P wurde in den aktiven Bodenzonen der Rhizosphaere und Detritusphaere in labilere Porg-Pools transformiert. Bewirtschaftungseffekte, wie die Wahl der Zwischenfrucht oder Bodenbearbeitung, waren erkennbar, aber wesentlich schwaecher ausgepraegt als der Zwischenfruchteffekt insgesamt. Unsere Ergebnisse bestaetigen, dass Zwischenfruchtanbau zur Steigerung der P - Verfuegbarkeit fuer die Hauptfrucht fuehren kann. Darueber hinaus konnten wir fuer den P- Vorteil drei grundsaetzliche Wirkungspfade aufzeigen, die in aktiven Bodenraeumen stattfinden. UEber den Wirkungspfad „Pflanzenbiomasse“ wird P aus dem Boden in die Biomasse der Zwischenfrucht aufgenommen und waehrend der Zersetzung der Streu fuer die Hauptfrucht verfuegbar. UEber den Wirkungspfad „mikrobielle Verstaerkung“ steigert die Zwischenfrucht im Wurzelraum die Biomasse und Aktivitaet der mikrobiellen Gemeinschaft, wodurch diese die Verfuegbarkeit von Porg erhoehen kann. Durch den Wirkungspfad „biochemische Modifikation“ scheinen manche Zwischenfruchtarten in der Lage zu sein, ueber Wurzelexsudate die P-Sorption im Boden zu senken und dadurch den Anteil an pflanzenverfuegbarem Phosphat zu erhoehen. Weiterhin ermoeglichen die erhobenen Daten die Diskussion, inwiefern mikrobielle Funktionen und die Mineralisierbarkeit von Porg zusammenhaengen und wie die Interaktionen von Pflanzen beeinflusst werden. Zwischenfruechte steigerten sowohl die Abundanz und Aktivitaet von Mikroben, als auch die Menge an P in der mikrobiellen Biomasse. Diese Potentialsteigerung des P-Kreislaufs steigerte die Verfuegbarkeit des Porg fuer zugefuegte Enzyme. Es muss bedacht werden, dass die Rueckkopplungen zwischen Enzymaktivitaet und verschiedenen Porg-Pools komplex sind. Diese haengen von den lokalen Eigenschaften des Bodens, wie etwa der Zusammensetzung des P-Vorrats, ab und sollten durch zukuenftige Studien geklaert werden. Drittens zeigen unsere Untersuchungen, wie die Wahl der Zwischenfrucht und die der Bewirtschaftung (z.B. Bodenbearbeitung oder Fruchtfolge) die relative Gewichtung der verschiedenen Pfade des P-Vorteils fuer die Hauptfrucht beeinflussen. Standortangepasste Zwischenfruchtsysteme erlauben es Landwirt:innen, die Funktionen ihres Agrooekosystems hinsichtlich der lokalen Bedingungen zu optimieren. Zusammenfassend bestaetigen unsere Ergebnisse, dass der P-Bedarf der Hauptfrucht ueber die Biomasse der Zwischenfrucht gedeckt werden kann und zeigen auf, dass die charakterisierten drei Pfade des P-Vorteils durch Zwischenfruchtanbau parallel stattfinden. Schließlich koennen die hier gewonnenen Erkenntnisse ueber den Phosphorkreislauf, basierend auf der Kombination von bodenmikrobiologischen Methoden mit der Charakterisierung der Labilitaet von Porg, zur zukuenftigen Entwicklung einer nachhaltigeren Landwirtschaft beitragen.