BACTERIAL COMMUNITY RESPONSES TO SOIL-INJECTED LIQUID AMMONIUM NUTRITION AND EFFECT OF TEMPERATURE ON BARLEY (Hordeum vulgare L.) GRAIN YIELD FORMATION

Author: Matoka, Charles Mboya Giessen, 01. February 2008 pages: 160 edition: 1 language: EN ISBN-10: 3867275076 ISBN-13: 9783867275071 allocated areas: Land- und Agrarwissenschaften | Ernährungs- und Haushaltswissenschaften | Umweltforschung, Ökologie und Landespflege category: Dissertation source of supply Print Version 23,00 € 19.55 in the shopping basket eBook (3103.8 kB) 23 in the shopping basket

Kurzbeschreibung

Die Injektion hochkonzentrierter Ammonium-Lösungen in den Boden ist eine landwirtschaftliche Praxis, die eine Verminderung von Stickstoffverlusten zum Ziel hat. In Deutschland ist sie unter der Bezeichnung Controlled Uptake Long Term Ammonium Nutrition (CULTAN)-Düngetechnik bekannt. Nach Injektion in den Boden adsorbiert NH4 + an Tonminerale der Bodenmatrix unter Bildung eines Komplexes hoher NH4 +-N Konzentration mit toxischer Wirkung auf Pflanzenwurzeln. Unmittelbar zur Injektion und einige Tage danach war NH4 +-N die vorherrschende N-Form, was auf seine Stabilität im Boden hindeutet. Nach 30 Tagen war NH4 +-N weiterhin im Boden nachweisbar, seine Konzentration hatte jedoch schnell abgenommen. Das Auftreten von Bakteriengemeinschaften innerhalb der vermeintlich toxischen Zonen der Injektionsdepots ermöglichte die Transformation des NH4 +-N. Dieses führte zu einer schnellen Abnahme des NH4 +-N sowohl aufgrund bakterieller Aktivitäten als auch der Aufnahme durch die Pflanzen. Mit der Abnahme der NH4 +-N-Konzentration war eine schnelle Akkumulation von NO3 –N verbunden. Die Inkorporation eines Nitrifikationsinhibitors (Nirapyrin,) verbesserte zwar die Stabilität des injizierten NH4 +-N durch Unterdrücken des Nitrifikationsprozesses, war jedoch ohne Einfluss auf die Abnahmerate des NH4 +-N. Ohne die Inkorporation von NI erfolgte die Nitrifikation unvermindert und hatte die Bildung großer NO3 --N – Akkumulationen für die Pflanzenaufnahme zur Folge. Die Transformation von NH4 +- in NO3 --N legt nahe, dass die CULTAN-Düngetechnik eher eine gemischte N-Ernährung darstellt, im Gegensatz zu früheren Annahmen, die auf einer vorherrschenden NH4 +-NErnährung basierten. Der Wechsel von einer vorherrschenden NH4 +-N zu einer gemischten N-Ernährung könnte eine Rolle gespielt haben bei der Abschwächung von NH4 +-N-Toxizitätssymptomen, die im allgemeinen bei Pflanzen auftreten, die unter alleiniger NH4 +-N-Ernährung kultiviert wurden. Während bei gemischter N-Ernährung generell von höheren Kornerträgen berichtet wird, konnte in der vorliegenden Untersuchung keine Erhöhung beobachtet werden. Die vorliegende Untersuchung hat den ersten molekularbiologischen Nachweis geliefert, der das Auftreten von Bakteriengemeinschaften innerhalb von mit CULTAN gedüngten Böden demonstriert. Die Ergebnisse stehen damit im Gegensatz zu der bisherigen Annahme, dass die Depot-Zonen hoch toxisch bleiben und keine mikrobielle Besiedlung und /oder substantielle Aktivität erlauben. Darüber hinaus besaßen die vermeintlich toxischen Zonen mit hoher NH4 +-N-Konzentration und sauren pH-Werten die höchste Diversität in den Bakteriengemeinschaften. Diese Diversität veränderte sich räumlich und zeitlich in Hinblick auf die Entfernung vom Injektionszentrum beziehungsweise auf die Zeit nach Injektion. Die Analyse des amoA-Gens belegte das Auftreten Ammonium-oxidierender Bakterien (AOB) innerhalb derselben toxischen Zonen. Es ist anzunehmen, dass ihre funktionale Rolle im wesentlichen die NTransformation war, insbesondere bei Injektionen ohne NI-Inkorporation. Im Gegensatz zur großen Bakterien-Diversität zu Beginn der Kultur, reduzierte sich die Diversität im weiteren Kulturverlauf. Obwohl zeitliche Verschiebungen in den Bakteriengemeinschaften erfolgten (30 und 60 Tage nach Düngung) bei abnehmender NH4 +-N-Konzentration und sich verändernden pH-Werten, erreichten sie einen stabilen Status, bei dem die Gemeinschaften in allen Zonen und Behandlungen einheitlich wurden, unabhängig von der gedüngten N-Form, was eine endogene Stabilität der Struktur der Bakteriengemeinschaft während der Kulturphase nahe legt. Dieses ist ein Hinweis darauf, dass die Auswirkungen der CULTAN-Düngung nicht dauerhaft, sondern nur vorübergehend existent sind. Die Population der AOB war in derjenigen Behandlung am vielfältigsten, bei der sich eine „gemischte N-Ernährung“ entwickelte, insbesondere in der Behandlung mit Pflanzenbesatz. Das deutet darauf hin, dass hohe Nitrifikationsraten per se nicht das Auftreten vielfältiger Populationen unterstützen. Eher hätten die Wurzeln der Pflanzen Exudate erzeugt und damit die Nahrungsversorgung verbessert und zusätzlich durch die Schaffung von Nischen die Konkurrenz verringert haben können. Es gibt Hinweise für das Auftreten einiger nicht-identifizierter Ammonium-Oxidierer in den untersuchten Zonen. Die Beobachtung multipler Peaks der DNA-Schmelzpunkte scheint diese Annahme zu unterstützen. Die Interaktion von Wachstumstemperaturen und injiziertem Ammonium- Flüssigdünger (CULTAN) hatte eine Abfolge physiologischer und morphologischer Reaktionen auf das Wachstum zur Folge, wie z.B. auf die Wachstumsdauer. Die Rate des Pflanzenwachstums während einzelner phänologischer Phasen hatte einen großen Einfluss auf den Kornertrag und auf ertragsbildende Strukturen wie Triebe, Ähren und Kornzahlen wie auch Körnergewichte, woraus sich signifikante Veränderungen des Ertrags ergaben. Eine Rolle der Temperatur auf die mikrobiologische Aktivität, insbesondere die Nitrifikation des injizierten NH4 +-N, kann nicht ausgeschlossen werden. Das mögliche Auftreten gemischter N-Ernährung und die Dauer des Pflanzenwachstums könnten die Ursache für hohe Erträge unter niedrigen Temperaturen gewesen sein. Diese Ergebnisse könnten für gemäßigte und tropische Regionen von Nutzen sein.

Description

Injection of concentrated liquid ammonium nutrition into soil is an agricultural practice aimed at mitigating nitrogen losses. In Germany, it is referred to as controlled uptake long term ammonium nutrition (CULTAN) technique. In many soils, nitrate is
mobile because as an anion, it is not bound to negatively charged surfaces of clay minerals or organic soil compounds. In contrast to phosphate, it is not specifically adsorbed. Nitrate fertilization may thus result in leaching and presents a potential environmental hazard. Ammonium ions, on the other hand, may be unspecifically bound to negatively charged surfaces or even fixed in inter-layers of 2:1 clay minerals.
Following the injection of concentrated liquid ammonium into soil, ammonium is the predominant N nutrition form suggesting its stability in soil. After 30 days, though ammonium persisted in the soil, its concentration had drastically decreased. Unspecifically bound ammonium may be exchanged and readily oxidized to nitrate by nitrifying bacteria. Bacterial community occurrence within the perceived toxic ammonium injection-zones facilitated transformation of ammonium to nitrate. This resulted into a rapid reduction of ammonium due to microbial as well as crop uptake. Along side the reductions in ammonium concentrations, nitrate concentrations increased rapidly as the season progressed. The incorporation of nitrification inhibitor (Nitrapyrin®) improved the stability of injected liquid ammonium by suppressing the nitrification process. However, the inhibitor did not express any direct effect on ammonium concentration reductions. It suppressed the transformation of ammonium into nitrate. Non-incorporation of the inhibitor caused the formation of high concentrations of nitrate. The transformation of ammonium to nitrate under CULTAN fertilization suggests that the technique offers mixed nitrogen nutrition contrary to earlier assumptions that it supplies predominantly ammonium. The nitrogen switch from predominant ammonium to mixed nitrogen through the availability of partial nitrate is deemed to have played a role in the alleviation of ammonium toxicity symptoms commonly associated with crops fertilized with ammonium. Though mixed nitrogen nutrition is usually reported to produce superior grain yields, none was recorded in this study.
This study has provided the first molecular evidence demonstrating the occurrence of bacterial communities in CULTAN-fertilized soils contrary to the presumption that ammonium injected zones remain highly toxic and never allow any microbial inhabitation and/or any substantial activity. In addition to this, the presumed toxic zones with high ammonium concentrations and acidic pH levels supported the highest diversity of bacterial communities. This diversity shifted spatio-temporally with regard to distance from injection zones and time after the injection was performed. Analysis of ammonia
monooxygenase sub-unit A (amoA) gene revealed the occurrence of ammonia oxidizing bacteria (AOB) within these same toxic zones where their functional role is thought to have mainly been nitrogen transformation, especially in non-inhibitor incorporated ammonium treatments. Despite the presence of a large bacterial diversity in the early part of the season, it decreased as the season progressed. Though temporal bacterial community shifts also occurred (30 and 60 days after fertilization) with decreasing ammonium concentration and changing pH levels. The banding pattern seemed to have been restored to the original patterns of nitrate and non-fertilized control. This suggests the occurrence of an endogenous stability of the bacterial community structure over the
season. This is an indication that CULTAN fertilization effects are not permanent, but only transient. The population of ammonia oxidizing bacteria in the treatment experiencing ‘mixed nitrogen nutrition’ had the highest estimates of population abundance. This illustrates that high nitrification rates per se did not support the high population occurrence, but rather supported root exudation, which could have influenced the rhizosphere by improving microbial nutritional resources and suitable niches. It can be generally concluded from this study that growth temperatures interact with CULTAN-injected liquid ammonium to cause a suite of growth responses such as growth duration alterations, tillering and ear formation which have a great impact on grain and biomass yields. Crop growth rate among different phenological stages influenced grain yield and yield forming-factors which significantly affected yield output. The role of temperature on microbial activity, especially the nitrification of injected liquid ammonium can not be ruled out. The possible occurrence of mixed nitrogen and crop growth durations could have also contributed to superior grain and biomass yields under low temperatures. These findings could be useful temperate and tropical regions.