Carbon-to-nutrient stoichiometry shapes microbial carbon utilization and soil organic carbon storage in agricultural soils

Abstract

Den meisten Agrarökosystemen werden anthropogene Nährstoffe zugeführt, was einen wichtigen Einfluss auf die organische Bodensubstanz (SOM) und das Pflanzenwachstum in landwirtschaftlichen Böden hat. Der Prozess des mikrobiell gesteuerten Abbaus und der Speicherung von SOM sowie die Strategie der mikrobiellen Nährstoffaufnahme in Mikroorganismen als Reaktion auf die Düngung ist jedoch bislang unzureichend erforscht. In dieser Arbeit habe ich eine Meta-Analyse mit Kurzzeit-Inkubationsexperimenten kombiniert, um die mikrobielle Mineralisierung und Stabilisierung von organischem Kohlenstoff im Boden sowie die Strategie der Nährstoffaufnahme als Reaktion auf Düngung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Düngung positiv auf die organischen Kohlenstoffvorräte im Boden (SOC) auswirkt, wobei eine mittlere N- und K-Düngung, aber eine hohe P-Düngung SOC am stärksten anreichern. Die Zufuhr von mineralischem N, P sowie N plus P verringerte die kumulativen CO2-Emissionen aus der Streu, steigerte jedoch den aus der Streu stammenden gelösten OC, da die Effizienz der Streu-C-Nutzung erhöht und die mikrobielle Nährstofflimitierung verringert wurde. Stroh (oder Streu) plus Niveaus mittlerer N-Düngung erhöhten den SOC sowohl in der Metaanalyse als auch in Kurzzeit-Inkubationsexperimenten, was verdeutlicht, dass die zusätzliche Zufuhr von mineralischen Nährstoffen (mit einem breiten C:Nährstoff-Verhältnis) die Rückhaltung von Pflanzenrückständen erhöhen und eine N-Immobilisierung bewirken kann, wodurch die C-Sequestrierung erhöht wird. Die P-Düngung hob die mikrobielle P-Limitierung auf und führte zu höheren Gehalten an labilem C aus Wurzelexsudaten in ursprünglich P-limitierten Nassreisböden, was zu einem Schutz der SOM führte. Es wurden zwei inverse lineare Beziehungen in der Modell-Rhizosphäre und im Boden beobachtet, die auf die Strategie der mikrobiellen P-Akquisition durch labiles C zurückzuführen sind. So wurde eine positive Beziehung zwischen dem P:C-Akquisitionsverhältnis und dem Verhältnis von gelöstem OC:Olsen-P im Matrixboden beobachtet, aber eine negative Beziehung in der Modell-Rhizosphäre. Dies lässt sich mit dem relativ höheren Gehalt an labilem C in letzterem erklären, die von Mikroorganismen mit r-Überlebensstrategie dominiert wurde. Daher wurde in der Rhizosphäre weniger organisches P mineralisiert als im nicht-durchwurzelten Boden. Schlussfolgernd zeigen meine Daten, dass die mikrobielle C- und Nährstofflimitierung die SOC-Akkumulation und die P-Verfügbarkeit in landwirtschaftlichen Böden behindert. Die Rückführung von Pflanzenrückständen mit mittlerem N-Düngungsniveau hat ein gutes Potenzial, die SOC-Vorräte in landwirtschaftlichen Böden zu erhöhen. Eine moderate Mineraldüngerausbringung mit Rückführung von Ernterückständen auf landwirtschaftliche Flächen trägt daher zu einer nachhaltigen Nutzung landwirtschaftlicher Böden bei.

Most agro-ecosystems receive inputs of anthropogenic-derived nutrients, which has an important influence on soil organic matter (SOM) and plant growth in agricultural soil. However, the process of the microbial-mediated SOM decomposition and storage as well as the microbial nutrients-acquisition strategy in response to fertilization remains unclear. In this thesis, I combined a meta-analysis and short-time incubation experiments to explore microbial organic carbon mineralization and stabilization in soil along with the nutrients-acquisition strategy in response to fertilization. The results show that fertilization has a positive effect on soil organic carbon (SOC) stocks, with intermediate N and K fertilization but high P fertilization affecting SOC the most. Mineral N, P, and N plus P input decreased cumulative litter-derived CO2 emissions but increased litter-derived dissolved OC due to increasing litter-C use efficiency and alleviating microbial nutrient limitation. Straw (or litter) plus intermediate N fertilization levels increased SOC in both meta-analysis and short-time incubation experiments, illustrating that additional provision of mineral nutrients (with a wide C:nutrients ratio) can increase plant residues retention and induce N immobilisation, increasing C sequestration. P fertilization removed microbial P limitation and produced amount of labile-C from root exudates in P-limited paddy soil, resulting in protecting SOM due to labile-C was preferentially utilized by microorganism. Two inverse linear relationships in model rhizosphere and bulk soil were observed due to labile-C regulate microbial P-acquisition strategy. Specially, a positive relationship was observed between the P:C acquisition ratio and the dissolved OC:Olsen-P ratio in bulk soil but a negative relationship in a model rhizosphere soil due to relative higher labile-C content in the latter, which was dominated by r-survival strategy microorganisms. Therefore less organic P was mineralized in rhizosphere than in bulk soil. I conclude that microbial C and nutrient limitation impede SOC accumulation and P availability in agricultural soil. Plant residues return with intermediate N fertilization levels has a good potential to increase SOC stocks in agricultural soils. A moderate mineral fertilizer application along with crop residues return to the field thus contribute to sustainable utilization of agricultural soils.