Deckfrüchte reichen nicht aus, um den Boden nach Jahrzehnten des kontinuierlichen Maisanbaus zu verbessern

Obwohl etwa 20 % der Anbausysteme in Illinois mit kontinuierlichem Mais bepflanzt sind, ist es fast unmöglich, Felder zu finden, die auf diese Weise jahrzehntelang bepflanzt sind. Doch Langzeitexperimente wie eines an der University of Illinois, darunter über 40 Jahre kontinuierlicher Maisanbau bei unterschiedlichen Stickstoffdüngerraten, bieten Wissenschaftlern und Landwirten gleichermaßen unglaubliche Lernmöglichkeiten und Bodenmanagement-Lektionen.

Das gilt insbesondere für Studien des Bodenmikrobioms, darunter zwei unter der Leitung von Nakian Kim, einem Doktoranden der Abteilung für Nutzpflanzenwissenschaften an der U of I. Für Kim bot das Langzeitexperiment eine einzigartige, biologisch stabile Umgebung, um Basislinien zu erforschen und Beobachten Sie die mikrobiellen Reaktionen auf die Aufnahme von Deckfrüchten, eine Änderung im Management, die 2018 eingeführt und durch eine USDA-NIFA-Auszeichnung für das Team von María Villamil unterstützt wurde.

Wichtig ist, dass Kim feststellte, dass der kurzfristige Einsatz von Zwischenfrüchten die jahrzehntelange mikrobielle Bodendynamik als Reaktion auf den kontinuierlichen Einsatz von Mais und starkem Stickstoffdünger nicht rückgängig machen kann.

„Im Mittleren Westen sind unsere Böden gesund und widerstandsfähig, aber wir sollten sie nicht überschätzen. Ein Boden, der zu lange nicht nachhaltigen Praktiken ausgesetzt ist, könnte eine irreversible Schwelle erreichen“, sagt Kim.

In seiner ersten Studie, veröffentlicht in Agronomiecharakterisierte Kim Verschiebungen in mikrobiellen Gemeinschaften auf Gattungsebene, eine weitaus höhere taxonomische Auflösung als frühere Studien. Die detailliertere Betrachtung der mikrobiellen Gemeinschaft offenbarte Indikatorgattungen, die kritische Aspekte der Bodengesundheit und -funktion repräsentieren.

„Die meisten Studien haben sich die Mikroben sehr allgemein, auf Phylum-Ebene, angesehen. Aber selbst ein einziger Phylum kann eine unglaublich große mikrobielle Vielfalt aufweisen. Eine Analyse auf solchen Ebenen konnte keine ausreichend detaillierten Erkenntnisse liefern, also habe ich tiefer geschaut“, sagt Kim. „Reaktionen oder Stasis auf Gattungsebene können uns sagen, wie ein Boden und seine mikrobielle Gemeinschaft auf Bodenbewirtschaftungspraktiken reagieren.“

So fand er beispielsweise heraus, dass sowohl Langzeitdüngung als auch Deckfrüchte Mikroben begünstigen, die das Risiko von Lachgasemissionen erhöhen könnten. Unterdessen verbesserten Deckfrüchte auch die Biodiversität des Bodens, da Mikroben mit vielfältigeren Nischen und Funktionen mit dieser Praxis in Verbindung gebracht wurden. Details wie diese – insbesondere, dass Zwischenfrüchte sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf Bodenmikroben haben können – sind bei den umfassenderen mikrobiellen Analysen der Vergangenheit möglicherweise übersehen worden.

In einer zweiten Studie, veröffentlicht in Grenzen in der Mikrobiologiekonzentrierte sich Kim auf den Stickstoffkreislauf, indem er mikrobielle funktionelle Gene im Boden identifizierte, anstatt Mikroben selbst zu charakterisieren.

„Die Anwendung vieler Stickstoffdünger hat die Gemeinschaften mit Stickstoffkreisläufen definitiv gestört“, sagt Kim. „Ammoniak-oxidierende Archaeen gingen mit der Befruchtung deutlich zurück, aber Bakterien reagierten nicht so gut. Innerhalb der Denitrifikationsgemeinschaften waren diejenigen, die das Nitrit-reduzierende nirK-Gen beherbergen, nicht so empfindlich, während andere mit dem nirS-Gen negativ beeinflusst wurden.“

Kim fand heraus, dass zwei Jahre Deckfrüchte keinen Einfluss auf die potenzielle Nitrifikations- und Denitrifikationsrate von Mikroben hatten, indirekte Indikatoren für Nitratauswaschung und Lachgasemissionen.

„Wenn ein System lange genug der Störung stickstoffkreisender mikrobieller Gemeinschaften ausgesetzt ist, kann es Resistenzen gegen Konservierungspraktiken entwickeln“, sagt Kim.

Mit anderen Worten, zwei Jahre Zwischenfruchtanbau waren möglicherweise nicht genug, um den Schaden von 36 Jahren kontinuierlicher Mais- und Stickstoffdüngeranwendung wieder gutzumachen. Aber Kim ist sehr daran interessiert, die Auswirkungen einer längerfristigen Bewirtschaftung von Deckfrüchten zu testen.

Villamil, Professor am Department of Crop Sciences und Co-Autor beider Artikel, sagt, dass „unsere Böden im Mittleren Westen auf eine Weise widerstandsfähig sind, die wir vielleicht nicht erwartet hätten resultierenden Bodenbedingungen. Diese Veränderungen rückgängig zu machen, kann enorme Anstrengungen und Zeit in Anspruch nehmen, und Deckfruchtanbau sollte eine von vielen Strategien sein, die wir anwenden, um die räumliche und zeitliche Vielfalt unserer landwirtschaftlichen Systeme zu erhöhen, um unsere Böden und unsere Zukunft auf diesem Planeten zu schützen.“