Dynamics of microbial-derived nitrogen to increasing straw addition in two typical arable soils in Northeast China
Diese Studie zeigt, dass die Erhöhung der Strohzufuhr die mikrobiell abgeleitete Stickstoffdynamik in den Ackerböden Nordostchinas unterschiedlich beeinflusst, wobei Alfisole dazu neigen, Stickstoff im organischen Pool zu halten, während Mollisole ihn vorwiegend in mineralischen Stickstoff umwandeln, wobei Stroh in Alfisolen die organische Retention im Allgemeinen verstärkt, aber in Mollisolen nur minimale Auswirkungen hat.
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In dem Boden unter unseren Füßen gestaltet eine stille Ökonomie von Leben und Tod ständig die Fähigkeit des Landes um, uns zu ernähren. Pflanzen benötigen Stickstoff zum Wachsen, aber ein Großteil dieses lebenswichtigen Nährstoffs ist im Boden gebunden, fest gehalten von winzigen, unsichtbaren Arbeitern: Mikroorganismen. Wenn diese Mikroben sterben, werden ihre Körper, bekannt als Nekromasse, zu einer wichtigen Stickstoffquelle für zukünftige Ernten. Dieser Prozess handelt nicht nur von Verfall; es ist ein komplexer Kreislauf, in dem lebende Mikroben fressen, sterben und wieder gefressen werden, oder in dem ihre Überreste an Bodenpartikel binden und über Jahrzehnte konserviert werden. Landwirte geben oft Erntestoppel oder Stroh auf ihre Felder zurück, um diesen Kreislauf anzukurbeln, in der Hoffnung, mehr Nahrung für diese mikroskopischen Gemeinschaften hinzuzufügen. Das Hinzufügen zu viel Strohs kann jedoch manchmal nach hinten losgehen, indem es Mikroben dazu bringt, Stickstoff eher zu horten als ihn freizusetzen, oder die Geschwindigkeit verändert, mit der Nährstoffe verfügbar werden. Genau zu verstehen, wie unterschiedliche Mengen an Stroh diesen verborgenen mikrobiellen Stickstoff beeinflussen, ist entscheidend für das Management der Bodengesundheit, insbesondere in Regionen, in denen sich der Bodentyp von Feld zu Feld stark unterscheidet.
Forscher in Nordostchina machten sich daran, diese unsichtbaren Dynamiken zu kartieren, indem sie den Stickstoff durch zwei sehr unterschiedliche Arten von landwirtschaftlichen Böden verfolgten: einen, der reich an Ton und organischer Substanz ist, und einen anderen, der weniger von beidem aufweist. Um den Stickstoff wandern zu sehen, konnten sie ihn nicht einfach beobachten; sie mussten ihn markieren. Sie nahmen Mikroben aus jedem Bodentyp und züchteten sie in einer flüssigen Nährlösung, die eine spezielle, schwere Version von Stickstoff enthielt, einen sogenannten Tracer. Dies ermöglichte es ihnen, den Stickstoff, der von diesen spezifischen Mikroben stammt, von dem Stickstoff zu unterscheiden, der bereits im Boden vorhanden war. Sobald die Mikroben vollständig markiert waren, ernteten die Wissenschaftler sie, trockneten sie und mischten sie zurück in ihre natürlichen Böden. Dann fügten sie variierende Mengen an Maisstroh zu diesen Bodenproben hinzu – gar nichts, ein wenig, eine moderate Menge und viel – und beobachteten, was geschah, über fast ein Jahr hinweg.
Das Experiment zeigte, dass die Menge des hinzugefügten Strohs das Schicksal des mikrobiellen Stickstoffs auf eine Weise veränderte, die völlig vom Bodentyp abhing. In dem Boden mit geringerer Fruchtbarkeit und weniger Ton verlangsamte das Hinzufügen von mehr Stroh konsequent die Rate, mit der der mikrobielle Stickstoff abgebaut wurde und verfügbar wurde. Je mehr Stroh sie hinzufügten, desto länger blieb der Stickstoff in organischen Formen im Boden gebunden. Die Geschichte war jedoch in dem reicheren, tonhaltigeren Boden anders. Dort beschleunigte das Hinzufügen einer kleinen Menge Stroh tatsächlich die Freisetzung von Stickstoff, ein Phänomen, das als positiver Priming-Effekt bekannt ist, bevor höhere Mengen an Stroh dies wieder verlangsamten. Dies deutet darauf darauf hin, dass in fruchtbaren Böden eine kleine Gabe an frischem Pflanzenmaterial die Mikroben dazu ermutigen kann, tiefer in die vorhandenen Nährstoffreserven des Bodens zu graben, während in ärmeren Böden dieselbe Zugabe die Mikroben lediglich dazu bringt, das festzuhalten, was sie haben.
Am Ende des langen Inkubationszeitraums hatten die beiden Böden den markierten Stickstoff in sehr unterschiedliche Bereiche sortiert. In dem fruchtbaren, tonreichen Boden war der Großteil des mikrobiellen Stickstoffs in eine Form umgewandelt worden, die Pflanzen sofort leicht nutzen können, bekannt als Nitrat. Die Tonmineralien in diesem Boden schienen die Überreste der Mikroben gerade so weit zu schützen, dass sie langsam abgebaut werden konnten, aber die natürliche Chemie des Bodens transformierte diesen Stickstoff dann schnell in einen nutzbaren Zustand. Im Gegensatz dazu hielt der ärmere Boden den Großteil des Stickstoffs in einer organischen Form fest und bewahrte ihn innerhalb der komplexen Struktur des Bodens auf, anstatt ihn als Nitrat freizusetzen. Die Forscher fanden heraus, dass die Zugabe von Stroh in diesem ärmeren Boden die Menge des gespeicherten Stickstoffs in diesem organischen Pool signifikant erhöhte, was den Boden effektiv in ein besseres Reservoir für die zukünftige Nutzung verwandelte.
Die Studie hob auch hervor, wie lebende und nicht-lebende Kräfte zusammenarbeiten, um diese Nährstoffe zu verwalten. Wenn die lebenden Mikroben damit beschäftigt waren, Stickstoff festzuhalten, griff die physische Struktur des Bodens, insbesondere seine Tonminerale, ein, um bei der Speicherung zu helfen. Umgekehrt kompensierten die physikalischen Bodeneigenschaften, wenn die lebende Gemeinschaft weniger aktiv war, um sicherzustellen, dass der Stickstoff verfügbar blieb oder zurückgehalten wurde. Dieses Gleichgewicht bedeutete, dass in dem ärmeren Boden die Zugabe von Stroh half, ein Reservoir an organischem Stickstoff aufzubauen, während im reicheren Boden das System so robust war, dass die Zugabe von Stroh den Ort, an den der Stickstoff landete, nicht signifikant veränderte. Die Ergebnisse legen nahe, dass Landwirte in Gebieten mit geringer Fruchtbarkeit davon profitieren könnten, moderate Mengen an Stroh hinzuzufügen, um die Nährstoffreserven ihres Bodens aufzubauen, während diejenigen in Gebieten mit hoher Fruchtbarkeit größere Mengen an Stroh zurückgeben können, ohne sich Sorgen machen zu müssen, das empfindliche Stickstoffgleichgewicht zu stören. Letztendlich zeigt die Forschung, dass es keine einzelne Regel für die Verwaltung von Stroh gibt; der beste Ansatz hängt völlig vom spezifischen Charakter des Bodens unter den Pflanzen ab.
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