Towards ecological intensification of agriculture : from management to soil bacterial and nitrogen-cycling communities

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7718-6
Title: Towards ecological intensification of agriculture : from management to soil bacterial and nitrogen-cycling communities
Author: Li, Honghong
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme in Interdisciplinary Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-11-26
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7718-6
http://hdl.handle.net/10138/335990
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Food security, environmental change and biodiversity loss are immense challenges for global agriculture. Ecological intensification of agriculture is an ideal concept that was introduced to produce more output while reducing negative impacts on the environment, with increasing contributions from the nature itself and ecosystem services. Replacing or reducing the use of synthetic fertilizers by recycling animal wastes and intercropping legumes that can biologically fix nitrogen (N) is a promising strategic choice. In agricultural grasslands, soil microbial communities play important roles in the maintenance of ecosystem functioning and services. The aim of this thesis was to provide scientific insights and recommendations towards agricultural sustainability by investigating how the agricultural management regimes in sub-boreal grasslands affect soil microbial communities and their capacity for N cycling and how such changes might affect crop yield. To reach this aim, a three-year field study (2013 - 2015) was established at Viikki Experimental Farm with a split-plot design. Timothy (Phleum pratense L.) and red clover (Trifolium pratense L.) swards, either as pure stands or in mixture were sown in the experimental plots, with bare fallow as a reference. Except for the control plots that received no N fertilizer, the plots were fertilized with either organic fertilizer (urine in 2014 and manure slurry in 2015) or synthetic fertilizer calcium nitrate [Ca(NO3)2]. The fertilizers were applied two times per year with a reduced level in 2014 (55-60 kg N ha-1 year-1) and a normal Finnish level in 2015 (150 kg N ha-1 year-1). We determined crop growth and soil properties, soil bacterial taxa communities assessed by using 16S rRNA gene amplicon sequencing, and the size of N-cycling communities assessed by quantitative PCR applied to key N-cycling functional genes. The crop mixtures gave higher yields and were less prone to potential N loss than the pure stands. In 2015, the annual crop yield with synthetic fertilizer was 55% higher than the yield obtained by using organic fertilizer. N fertilizer application increased the annual yield of the mixture and timothy but not that of red clover, and the annual yield of the mixture without fertilizer was higher than that of the pure stands with fertilizers, with the exception of pure timothy with synthetic fertilizer. The bacterial communities changed over time, with higher temporal variations than the variations caused by the fertilization or intercropping treatments. The turnover of the bacterial composition over time was driven by shifts in relative abundance of the same taxa rather than by the gain or loss of different taxa. The major differences in soil bacterial community diversity and composition were observed between fallow and planted plots, with lower community diversity in fallow than in planted plots in 2015. These were mainly associated with the differences in soil nitrate and acidity level. The differences between pure red clover plots and pure timothy plots were restricted to differentially abundant operational taxonomic units (OTUs). The number of differential OTUs between organic and synthetic fertilizer plots increased gradually over time whereas no differential OTUs was found between the plots with no fertilizer and with synthetic fertilizer applied. At the last time point of the experiment, the bacterial community composition in plots that had received organic fertilizer was different from that in plots with no fertilizer or with synthetic fertilizer applied. This was mainly associated with differences in soil moisture and total carbon content. Except for the abundance of ammonia oxidizing bacterial (AOB) community, which was affected by fertilization, the abundances of all other N-cycling communities changed over time. Most of the N-cycling communities we measured were relatively conserved in response to the treatments. The fertilization effects or the combined fertilization and intercropping effects were observed only at single time points. For example, the abundances of nirK (gene encoding copper-based nitrite reductase), nirS (gene encoding cytochrome cd1 nitrite reductase), nosZI (gene encoding the clade I of nitrous oxide reductase), nosZII (gene encoding the clade II of nitrous oxide reductase) and nrfA (gene encoding cytochrome c nitrite reductase) were lower in pure red clover plots than in mixture and pure timothy plots at the first time point in June 2014, which was particularly clear for the plots with no applied N fertilizer. With correlation analysis, we found that nirS and nosZII communities were more sensitive to the changes in soil properties than their functional counterparts nirK and nosZI communities. Finally, by integrating the results with structure equation modelling analysis, we found that management affects the potential N retention and the mitigation of N2O indirectly as soil bacterial communities play important roles in mediating the management effects on crop yield and N cycling in grassland ecosystems.Ruokaturva, ympäristönmuutos ja biologisen monimuotoisuuden köyhtyminen ovat valtavia globaaleja haasteita maataloudelle. Maatalouden ekologinen tehostaminen on ihanteellinen konsepti, jolla pyritään lisäämään tuotantoa ja samalla vähentämään kielteisiä ympäristövaikutuksia siten, että hyödynnetään paremmin luonnon ja ekosysteemipalvelujen panosta. Yksi lupaava strateginen valinta on vähentää tai korvata synteettisiä lannoitteita eläinperäisillä lannoitteilla ja palkokasveilla, jotka pystyvät biologiseen typensidontaan. Maaperän mikrobiyhteisöillä on tärkeä rooli nurmiekosysteemien toiminnan ja ekosysteemipalvelujen ylläpitämisessä mm. heinäpelloilla ja laitumilla. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tarjota tieteellistä tietoa ja suosituksia maatalouden kestävyyden tukemiseksi tutkimalla, miten sub-boreaalisten nurmimaiden viljelymenetelmät vaikuttavat maaperän mikrobiyhteisöihin ja niiden typensidontakykyyn, sekä miten eri ratkaisut voivat vaikuttaa satoon. Tavoitteen saavuttamiseksi Viikin koetilalle perustettiin kolmivuotinen kenttätutkimus (2013 - 2015) split-plot -koeasetelmalla. Nurmikoeruudut perustettiin kylväen timoteita (Phleum pratense L.) ja puna-apilaa (Trifolium pratense L.) joko yksin tai seoksena; verrokkina oli paljas kesanto. Lukuun ottamatta typpilannoittamattomia verrokkiruutuja, koealat lannoitettiin joko eloperäisellä lannoitteella (karjanvirtsa vuonna 2014 ja lietelanta vuonna 2015) tai synteettisellä kalsiumnitraattilannoitteella [Ca(NO3)2]. Typpilannoitus tehtiin kahdesti vuodessa, vuonna 2014 alennetulla tasolla (55-60 kg N ha-1 vuodessa) ja vuonna 2015 tyypillisellä suomalaisella tasolla (150 kg N ha-1 vuodessa). Määritimme sadon ja maaperäparametrit, maaperäbakteeriston 16S rRNA -geenin sekvensointia käyttäen sekä typenkiertoon osallistuvat mikrobit niiden keskeisiin funktionaalisiin geeneihin kohdistuvan kvantitatiivisen PCR:n avulla. Nurmilajiseos antoi suuremman sadon ja oli vähemmän altis mahdolliselle typpihävikille kuin kumpikaan nurmilaji monokulttuurina. Vuonna 2015 sato oli 55 % suurempi synteettisellä kuin eloperäisellä lannoitteella. Typpilannoitus lisäsi seoksen ja timotein vuosisatoa, mutta ei puna-apilan tuottoa. Vuosisato oli suurempi seoksella ilman lannoitetta kuin monokulttuureilla lannoitteen kanssa, lukuun ottamatta timoteita synteettisellä lannoitteella. Bakteeriyhteisöt muuttuivat ajan myötä, ja ajallinen vaihtelu oli suurempaa kuin lannoite- tai kasvivalintojen aiheuttama vaihtelu. Muutokset bakteeriyhteisössä liittyivät tyypillisemmin eroihin samojen taksonien suhteellisissa osuuksissa kuin uusien ryhmien ilmestymiseen tai vanhojen menetykseen. Suurimmat erot maaperän bakteeriyhteisön monimuotoisuudessa ja koostumuksessa havaittiin kylvettyjen ja kesantoalojen välillä; 2015 monimuotoisuus oli matalampi paljaissa kuin kylvetyissä koeruuduissa. Nämä erot bakteeriyhteisöissä liittyivät pääasiassa eroihin maaperän pH:ssa ja nitraattipitoisuudessa. Erot puna-apilan ja timotein koeruutujen mikrobistossa rajoittuivat eroihin tiettyjen ryhmien (OTU, operational taxonomic unit) yleisyydessä. Tällä tavoin eloperäisiä ja synteettisiä lannoitteita erottelevien OTU:jen lukumäärä kasvoi monivuotisen kokeen edetessä, kun taas lannoittamattomia ja synteettisesti lannoitettuja koeruutuja differentioivia OTU:ja ei havaittu. Monivuotisen kokeen viimeisellä näytteenottoajankohdalla bakteeriyhteisö eloperäistä lannoitetta saaneissa koeruuduissa poikkesi synteettisesti tai ei lainkaan lannoitetuista. Tämä ero linkittyi eroihin maan kosteudessa ja kokonaishiilipitoisuudessa. Lukuun ottamatta ammoniakkia hapettavan bakteeriyhteisön (AOB) runsautta, johon lannoitus vaikutti, typenkierrosta vastaavien mikrobiryhmien runsaus muuttui lähinnä ajan myötä. Suurin osa qPCR:llä mitatuista ryhmistä ei reagoinut viljelykäsittelyihin. Lannoituksen vaikutuksia tai lannoituksen ja lajivalinnan yhteisvaikutuksia havaittiin vain yksittäisinä näyteajankohtina. Esimerkiksi nirK:n (kuparipohjaista nitriitti-reduktaasia koodaavan geenin), nirS:n (sytokromi cd1-nitriittireduktaasia koodaava geeni), nosZI:n (typpioksiduulireduktaasin ryhmää I koodaava geeni), nosZII:n (typpioksiduulireduktaasin ryhmää II koodaava geeni) ja nrfA:n (sytokromi-c nitriittireduktaasia koodaava geeni) määrät olivat matalammat puna-apilamonokulttuurissa kuin timoteilla tai nurmiseoksella ensimmäisellä näytteenottoajankohdalla kesäkuussa 2014, ja ero oli erityisen selvä lannoittamattomilla koeruuduilla. Korrelaatioanalyysin avulla havaitsimme, että nirS- ja nosZII-yhteisöt olivat herkempiä maaperän ominaisuuksien muutoksille kuin niiden toiminnalliset vastineet nirK- ja nosZI-yhteisöt. Integroimalla nämä tulokset rakenneyhtälömallinnusanalyysiin havaitsimme, että viljelyratkaisut vaikuttavat typen pidättymiseen ja N2O:n minimoimiseen epäsuorasti, sillä maaperän bakteeriyhteisöillä on tärkeä rooli viljelykäytäntöjen välittymisessä sadontuottoon ja typenkiertoon nurmiekosysteemeissä.
Subject: environmental Microbiology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
li_honghong_dissertation_2021.pdf 2.121Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record