Paddy soil C turnover affected by fertilization and water management

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Liu, Qiong:
Paddy soil C turnover affected by fertilization and water management.
Bayreuth , 2022 . - XIV, 100 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006795

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Abstract

Rice feeds more than half of the world’s population; in addition, artificial rice paddies are an important contributor to global carbon emissions. Carbon turnover (production and oxidation) primarily comprises microbially mediated processes, and microorganisms (abundances and communities) are strongly affected by anthropogenic activities in paddy soils, such as fertilization and water management. In turn, microbial abundance and community shifts can strongly influence soil C turnover by affecting soil organic matter (SOM) decomposition through priming effects (PEs).
This thesis aimed to gain a more comprehensive understanding of C turnover (CO2 and CH4) in paddy soils by determining the temporal dynamics of CO2 and CH4 and disentangling the underlying mechanisms.
Uncertainty still exists about the contributions of the two main pathways (acetoclastic methanogenesis and hydrogenotrophic methanogenesis) to CH4 production throughout the rice growing season, especially under field conditions. To fill this knowledge gap, in Study 1 and 2, we took soil gas samples using passive diffusion gas samplers to determine the temporal dynamics of CO2 and CH4. Since labile C input affects microbial processes in soil, the C allocation from above- to belowground pools was quantified by 13CO2 pulse labelling of rice plants.
Of particular interest was the result of the natural abundance 13C enrichment of CO2 over time under flooded conditions, indicating that hydrogenotrophic methanogenesis continuously contributed to CH4 production. Alternating wet-dry cycles (AWD) resulted in a significant decrease in CH4 concentrations, along with conspicuous isotopic signals indicative of CH4 oxidation. However, the time and magnitude of AWD should be carefully considered as it can reduce rice yield. Sulfate fertilizer had positive effects on rice plant biomass and grain yield, though it showed no effect on lowering CH4 concentrations. Especially under AWD conditions, sulfate fertilizer increased shoot biomass and stabilized grain production. Additionally, based on 13CO2 pulse labelling results, more than 50% of newly assimilated C was retained aboveground at grain-filling stage (14 days after pulse labelling), which is likely explained by a high C demand for fruit production. We did not detect any effect of sulfate addition and AWD on 13C allocation in the plant-soil system.
In addition to these short-term effects of fertilizer addition, in Study 3, soil samples were collected from a long-term experimental trial and analyzed for microbial biomass and community composition. Both mineral and organic fertilization can prevent microbial biomass from decreasing vertically. In addition, Gram-positive (G+) bacteria benefited the most from mineral fertilizers, and the partial replacement of mineral fertilizer with manure primarily enhanced the abundance of G+ bacteria at 0−30 cm soil depth. In contrast, replacement with straw particularly enhanced the abundances of fungi at 10−20 cm soil depth, which is explained by the key role of fungi in straw decomposition.
Study 4 was designed to investigate how the changes of microbial activity and communities, shown in Study 3, affect SOM decomposition through PE. 13C-glucose was added to incubated soils to mimic C input by rhizodeposition. Following glucose addition, SOM-derived microbial biomass C decreased at 0–10 cm in all soils (apparent PE). It was suggested that in upper soil depths with frequent C input through rhizodeposition and organic fertilizers, microorganisms focused on renewing their C rather than investing in growth after substrate addition.
N mining mechanism suggests that primed CO2 is higher under nutrient-limited conditions as microorganisms produce extracellular enzymes to mine SOM for limiting nutrients. Our results fit well with this mechanism, as lower percentage primed CO2 (PECO2) was observed in soil with balanced nutrient conditions (NPK). In contrast, in low nutrient (unfertilized) or extra C (organic fertilized) conditions, PECO2 was higher because of the demand for nutrients. However, the higher positive primed-DOC together with weak PECO2 in topsoil than subsoil cannot be explained by N mining. Therefore, we proposed a mineral-related mechanism: glucose addition increased DOC by release of mineral-bound C biotically and/or abiotically. Apart from accelerating SOM decomposition, positive PECO2 can also be achieved by direct utilization of those released C. However, after 20 days of incubation, the organic C concentration was reduced by rebinding or co-precipitating to mineral surfaces, which can explain the negative PE at later incubation phases commonly observed in paddy soils.
In summary, this thesis extends our understanding of plant-microbe interactions on CO2 and CH4 turnover in paddy soils. In addition, we drew attention to complex mechanisms of C turnover in submerged paddy soils: 1) apparent PE, 2) biotic and/or abiotic release of mineral-bound OC, 3) negative PE at later incubation phases. Considering the mineral-associated mechanisms (substrate desorption and resorption with soil matrix) in further investigations is crucial, as they alter substrate availability to microorganisms and thus affect soil C stocks. Moreover, the studied mechanisms are vital for maintaining food security and mitigating global warming through adaptations in management practices in rice cropping systems.

Abstract in weiterer Sprache

Reis ernährt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Darüber hinaus tragen künstlich angelegte Reisfelder erheblich zu den globalen Kohlenstoffemissionen (C) bei. Der C-Umsatz umfasst mikrobiell vermittelte Prozesse (Produktion und Oxidation). Mikroorganismen (Häufigkeit und Gemeinschaften) werden stark durch anthropogene Aktivitäten in Reisböden wie Düngung und Wassermanagement beeinflusst. Die Abundanz der Mikroorganismen und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft können wiederum den C-Umsatz im Boden stark verändern, indem sie den Abbau der organischen Bodensubstanz (OBS) durch Priming Effekte (PEs) beeinflussen.
Das Ziel dieser Arbeit war es, ein umfassenderes Verständnis des C-Umsatzes (CO2 und CH4) in Reisböden zu erlangen, indem die zeitliche Dynamik von CO2 und CH4 und die zugrunde liegenden Mechanismen untersucht wurden.
Nach wie vor besteht Unklarheit über den Beitrag der beiden Hauptwege zur CH4-Produktion (acetoklastische Methanogenese und hydrogenotrophe Methanogenese) während der Reisanbausaison, insbesondere unter Feldbedingungen. Um diese Wissenslücke zu schließen, haben wir in den Studien 1 und 2 Bodengasproben mit passiven Diffusionsgassammlern entnommen, um die zeitliche Dynamik der CO2- und CH4-Produktion zu bestimmen. Da der Eintrag von labilem C mikrobielle Prozesse im Boden beeinflusst, wurde die C-Verlagerung von oberirdischen zu unterirdischen Pools durch 13CO2-Pulsmarkierung von Reispflanzen quantifiziert.
Von besonderem Interesse war das Ergebnis der natürlichen 13C-Anreicherung von CO2 im zeitlichen Verlauf unter überstauten Bedingungen. Die 13C-Anreicherung deutete darauf hin, dass die hydrogenotrophe Methanogenese kontinuierlich zur CH4-Produktion beiträgt. Ein Wechsel zwischen Entwässerung und erneuter Überstauung (alternating wet-dry cycles, AWD) führte zu einer deutlichen Reduktion der CH4-Konzentration im Boden, zusammen mit auffälligen Isotopensignalen, die auf eine CH4-Oxidation hinweisen. Der Zeitpunkt und das Ausmaß der Entwässerung sollten jedoch sorgfältig abgewogen werden, da dies den Reisertrag verringern kann.
Sulfatdüngung wirkte sich sowohl auf die Biomasse der Reispflanzen als auch auf den Kornertrag positiv aus, zeigte jedoch keine Wirkung auf die CH4-Konzentration. Insbesondere unter AWD-Bedingungen erhöhte Sulfatdünger die Sprossbiomasse und stabilisierte die Getreideproduktion. Darüber hinaus wurde anhand der Ergebnisse der 13CO2-Pulsmarkierung gezeigt, dass im Stadium der Kornfüllung (14 Tage nach der Pulsmarkierung) mehr als 50 % des kürzlich assimilierten C in den oberirdischen Pflanzenteilen verblieb, was sich unter anderem durch einen hohen C-Bedarf für die Fruchtproduktion erklärt. Zudem konnten wir keinen Einfluss von Sulfatzugabe und AWD auf die 13C-Allokation im Pflanze-Boden-System feststellen.
Im Gegensatz zu diesen kurzfristigen Wirkungen der Düngerzugabe wurden in Studie 3 Bodenproben aus einem Langzeitexperiment gesammelt und auf mikrobielle Biomasse und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft analysiert. Sowohl die mineralische als auch die organische Düngung können verhindern, dass die mikrobielle Biomasse vertikal abnimmt. Darüber hinaus profitierten gram-positiv (G+) Bakterien am meisten von Mineraldüngern, wobei der teilweise Ersatz von Mineraldüngern durch Gülle in erster Linie die Abundanz von G+ Bakterien in 0–30 cm Bodentiefe erhöhte. Dagegen steigerte der Ersatz von Mineraldüngern durch Stroh die Pilzhäufigkeit in 10–20 cm Bodentiefe, was sich durch die wichtige Rolle der Pilze beim Strohabbau erklären lässt.
In Studie 4 wurde untersucht, wie sich die in Studie 3 gezeigten Veränderungen der mikrobiellen Aktivität und Gemeinschaften auf den OBS-Abbau durch Priming-Effekte auswirken. 13C-Glukose wurde inkubierten Böden zugesetzt, um den C-Eintrag durch Rhizodeposition nachzuahmen. Kurz nach der Zugabe von Glukose wurde in bestimmten Bodentiefen ein Verlust der ursprünglichen mikrobiellen Biomasse (MBC) zusammen mit einem geringen mikrobiellen Wachstum beobachtet. Es wird vermutet, dass sich Mikroorganismen in den oberen Bodenschichten mit häufigem C-Eintrag aufgrund von Rhizodeposition nach Substratzugabe eher auf die Erneuerung ihres C (apparent PE) statt auf das Wachstum konzentrieren. Der N-Mining-Mechanismus legte nahe, dass das CO2 aus Priming (PECO2) unter nährstofflimitierten Bedingungen höher ist, da Mikroorganismen extrazelluläre Enzyme produzieren, um durch den OBS-Abbau an die limitierten Nährstoffe zu gelangen. Unsere Ergebnisse bestätigen diesen Mechanismus, da in Böden mit ausgewogenem Nährstoffbedingungen (NPK) ein geringerer PECO2 beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu war PECO2 unter nährstoffarmen (ungedüngten) Bedingungen oder nach zusätzlicher C-Zugabe (organisch gedüngte Böden) aufgrund des Nährstoffbedarfs höher. Ein höherer „geprimter“ Gehalt an gelösten organischen C im Oberboden als im Unterboden kann jedoch dadurch nicht erklärt werden. Daher schlagen wir einen neuen mineralinduzierten Mechanismus vor: Glukosezugabe setzt mineralgebundenen organischen C (OC) biotisch und/oder abiotisch frei. Neben der Beschleunigung des OBS-Abbaus kann durch die direkte Nutzung dieses freigesetzten OC auch ein positiver PECO2-Wert erreicht werden. Darüber hinaus kann sich OC im Verlauf der Inkubation wieder an Mineralien binden, was die Bioverfügbarkeit des Substrats verringert und einen negativen PE verursacht, wie es häufig in Reisböden zu beobachten ist.
Die vorliegende Arbeit erweitert unser Verständnis über die Auswirkungen von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen auf die CO2- und CH4-Umsätze in Reisböden. Des Weiteren konnten wir die Aufmerksamkeit auf komplexe Mechanismen des C-Umsatzes in Reisböden lenken. Die Berücksichtigung neuer mineralassoziierter Mechanismen (Substratdesorption und -resorption an die Bodenmatrix) in weiteren Untersuchungen ist von entscheidender Bedeutung, da diese die Bioverfügbarkeit des Substrats für die Mikroorganismen und damit die C-Vorräte im Boden verändern können. Darüber hinaus sind die untersuchten Mechanismen des C-Umsatzes von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Nahrungsmittelsicherheit und die Abschwächung der globalen Erwärmung durch Anpassungen der Bewirtschaftungspraktiken in Reisanbausystemen.