Soil N mineralization dynamics as affected by pure and mixed application of leafy material from leguminous trees used in planted fallow in Brazil

In der Amazonienregion wurden durch Eingriffe des Menschen wie Zerschneiden und Verbrennen große Bereiche des Primärwaldes zu vorübergehend benutztem Ackerland umgewandelt. Folglich spielt die Brachevegetation eine wichtige Rolle, um die Bodenproduktivität beizubehalten oder wieder herzustellen. Jedoch hat die Intensivierung der Flächennutzung drastisch die Bracheperiode verringert. Diese Arbeit verfolgt im allgemeinen das Ziel, kontrastierende Müllzersetzung herauszufinden und den Einfluss der legumenosenartigen Bäume auf die Dynamik des Bodens N zu verfolgen, indem das Verbrennen durch die in dem Amazonas angereichert, mit Laub bedeckten slash-and-mulch" Systeme ersetzt wird. Die Leistungsfähigkeit, mit der N in den Pflanzenüberresten verwendet wird, hängt zum einen von der Mineralisierungsrate und zum anderen von der Zeit ab, wenn sie im Verhältnis zu den Getreideanforderungen zur Verfügung gestellt werden. Die vorliegende Studie unternimmt die Überprüfung, ob die kontrastierende litter quality" von Legumenosen in Bezug auf die N-Mineralisierung zu finden ist. Indem man dieses organische Material von unterschiedlichen Qualitäten mischt, soll verifiziert werden, ob es möglich ist, das Muster der N-Freigabe und der Leistungsfähigkeit der Anwendung von N vom Überrest durch eine Bodenmikrobenlebmasse und eine Zwischenfrucht zu ändern. Um die Hypothese zur Handhabung der litter quality" auf die Nährfreigabe zu prüfen, wurden zwei Laborausbrütungsstudien, ein Gewächshausexperiment und ein Feldexperiment von der Aufspaltungsrate des unterschiedlichen Bruches des belaubten + hölzernen Materials von den gleichen ausgewählten legumenosenartigen Bäumen des Feldes vorgenommen. Die Zielsetzung ist, N-Mineralisierung und - Immobilisierung in den Mischungen von Sorten mit der kontrastierenden litter quality", die im Boden enthalten ist, festzustellen und diese in Bezug auf deren resultierende Muster der N-Freigabe und der Leistungsfähigkeit der Anwendung von N durch Bodenmikroorganismen und Ernte zu untersuchen. Die Laboruntersuchungen haben ergeben, dass die Nettobodenstickstoffmineralisierung ohne addierte organische Substanz fünfmal größer war, als in irgendeiner der anderen Behandlungen. In Ermangelung der frischen organischen Substanz und des nicht vorhandenen Auslaugens war der dazugehörige Verbrauch von NO3- durch Bodenmikroorganismen niedriger und führte dazu, das freigesetzte Nitrat aufzufangen. Das Netto-N, das in legumenosen-geändertem Boden mineralisiert wurde, war in Bezug auf die zwei Sorten erheblich unterschiedlich, die einerseits in der Mischung mit Zeit und andererseits in Wechselwirkung Sorte und Zeit verwendet wurden. Der wachsende anorganische Stickstoffgehalt in legumenosen-geändertem Boden reichte von 2,0 bis 6,1 mg N kg-1 Boden, der mit 1,6 mg N kg-1 Boden durch natürliche Brache-geänderten Boden und in 20,7 mg N kg-1 Boden im Kontrollprobe verglichen wurde. Die Abnahme des mineralisierten Nettostickstoffes steht in folgender Reihenfolge: Kontrolle > S. paniculatum > I. edulis > A. mangium > A. angustissima > natürliche Brache. Beide hülsenartigen Überreste und Mischungen von zwei kontrastierenden Sorten verursachten eine Nettoimmobilisierung des vom Bodenabgeleiteten anorganischen N während der kompletten Ausbrütungsperiode. Die Mischungen von zwei Qualitäten kontrastierender organischer Substanzen (Hülsenfruchtsorte) zeigten auffallend unterschiedliche Muster der Netto-Mineralisierung und -Immobilisierung im Vergleich mit den gleichen separaten Sorten. Im Boden nimmt die N-Mineralisierung mit Zunahme der CO2-Produktion und des organischen C zu. Im Gegensatz dazu steigen die N-Immobilisierungen durch Bodenmikroorganismen mit einem Zuwachs der CO2-Produktion und organischen C. Ferner nimmt die N-Immobilisierung mit einer Abnahme der N-Konzentrationen zu. Diese Beobachtung legt die Vermutung nahe, dass sich N-Dynamik in diesen hülsenartig-geänderten Behandlungen stark mit Bodenmikrobenlebendmasse und organischer C Dynamik aufeinander abstimmen. Das anfängliche Phenol:N" Verhältnis und das phenol + lignin:N" Verhältnis war negativ auf die gesamte Netto N-Mineralisierung für hülsenartige Sorten und Mischungen bezogen. Jedoch war das anfängliche organische Stickstoffe bedeutend und positiv auf die gesamte Netto N-Mineralisierung abgestimmt. Dieses Experiment zeigte, dass Mischungen von kontrastierenden Legumenosesorten unterschiedliche Muster von Netto Mineralisierung und Immobilisierung im Vergleich mit einzelnen Sorte vorweisen. Was die N-Immobilisation und -Mineralisierung betrifft, erbrachte die I. edulis Behandlung eine höhere N-Mineralisierung, während die S. paniculatum Behandlung, die bessere Wechselwirkung mit anderen hülsenartigen Sorten zeigte. Die 15N Gewächshausexperimente, welche Reis als Indikatorpflanze verwendeten, und die 15N Laborexperimente wurden in zwei Teile gegliedert: zuerst wurden Düngemittel 15N-urea (3,92 mg N pot-1 mit 5,34 % des Atoms 15N) und hülsenartiges Blattmaterial (S. paniculatum, I. edulis und Mischung von den zwei Sorten) mit N natürlichem Überfluss kombiniert, um Mikrobenimmobilisierung- und Bodenfixierung zu erhalten. Im zweiten Teil wurde N-Harnstoff Düngemittel (3,92 N mg pot-1 mit N am natürlichen Überfluss) und 15N-labeled hülsenartiges organisches Material von der gleichen Sorte mit 0,392 % des Atoms 15N in S. paniculatum und 0,390 % des Atoms 15N in I. edulis beziehungsweise die Menge des Minerals-N kombiniert, um die Menge von N-Mineralien, welches aus der Aufspaltung hervorgeht, herauszubekommen. Dabei ist die Konkurrenz zwischen Mikroorganismen, Boden + organischer Substanzfixierung und Reisabsorption von Interesse. Die Mikrobenimmobilisierung des markierten Stickstoffes blieb durch Reispflanzwachstum unberührt, aber wurde stark durch organisches Material und Stickstoffhinzufügung beeinflusst. Durch Immobilisierung des Stickstoffes und durch organisches Zersetzungsmaterial wurde hauptsächlich die Menge und Zugänglichkeit des vorhandenen Stickstoffes festgestellt. Die Unterschiede bezüglich der Stickstoffimmobilisierung durch organisches Zersetzungsmaterial der Legumenosen waren zwischen N-Behandlungen am größten, aber wurden auch durch Mischung der zwei kontrastierenden Materialbehandlungen der Hülsenfrucht beeinflusst. Im Gewächshausexperiment mit Reis als Indikatorpflanze zeigte die Behandlung durch die Mischung zweier Sorten kumulative 15N-Mikrobenimmobilisierung im Boden, höhere kumulative Reistrockenmasse und Gesamt N und höhere Wiedergewinnung von 15N vom Harnstoffdüngemittel. Dieses zeigt an, dass durch die Wechselwirkung von zwei kontrastierenden hülsenartigen Sorten die Stickstoffabsorption im Reis aufgrund der Zunahme an Mineral N und Abnahme der Mikroben-N Immobilisierung steigt. Die Feldstudie der litter bags" lief während eines Jahres innerhalb des slash-and-mulch" Experimentes mit kontrastierender litter quality" mit Acacia angustissima, A. mangium, Clitoria racemosa, Sclerolobium paniculatum, and Inga edulis und natürlicher Brachevegetation. Dieses Experiment hat ergeben, dass für die Mehrheit der Behandlungen eine anfängliche Netto N-Freigabe nicht beobachtet werden konnte. Drei Behandlungen zeigten keinerlei Freigabe des Netto N während der Experimentperiode. Die A. angustissima Behandlung, welche eine höherere anfängliche P-Konzentration und geringstes C:N Verhältnis zeigte, hatte eine schnellere anfängliche Netto N-Freigabe mit anschließender Ansammlung im Vergleich mit einer anderen Behandlung. Die A. mangium Behandlung, die das grösste C:N Verhältnis und zum intermediären Lignin- und Phenolinhalt vorwies, zeigte eine grosse Zunahme der N-Menge in der Regenzeit. Gleiches Phänomen in der Regenzeit konnte bei der I. edulis Behandlung beobachtet werden, die die intermediäre anfängliche P- und hohe N-Konzentration, so wie hohe Lignin- und intermediäre Phenolkonzentration vorweist. Diese Ausgangsresultate verdeutlichen, dass slash-and-mulch" Systeme mit dicken Laubdecken in der N-Freigabe langsam sind und dass die Notwendigkeit besteht, die Synchronisierung des Nährstoffes zu verbessern, um Nachfragen der Agrarkultursysteme zu befriedigen. Diese Dissertation zeigt, dass die Qualität und die Quantität des organischen Materials einen wichtigen Faktor darstellen, der die Bodenstickstoffmineralisierung und -immobilisierung beeinflusst. Änderungen in den Bodenkarbonsubstraten beeinflussen die Dynamik des anorganischen Stickstoffes des Bodens wegen der Wichtigkeit des labilen" Karbons in der Mikrobenimmobilisierung und im Mikroben immobilisierung verbrauch des Stickstoffes. Die kontrastierenden hülsenartigen Sorten hatten unterschiedliche Muster von Netto N-Mineralisierung und Immobilisierung im Vergleich mit den seperaten Sorten. Die Studie präsentiert, dass die Pflanzen und Mikroben um den N im Boden in Konkurrenz treten. Weiterhin zeigen die Daten, dass eine gegenseitige N-Beschränkung und das Benutzen von gleichen N-Hilfsmitteln vorliegen.In Amazon human activities such as slashing and burning converted large areas of primary forest to intermittently used agricultural land. Thus, the fallow vegetation plays an important role to maintain or restore soil productivity. However, the intensification of land use has drastically reduced the fallow period. Therefore, the soil quality has to be restored in shorter time. The efficiency with which N in plant residues is used depends on the rate at which they are mineralized and thus on the time when they are made available relative to crop requirements. The present dissertation is proposed to find contrasting legume litter quality in terms of N mineralization and, by mixing this organic material, it will be possible to alter the pattern of N-release and the efficiency of utilization of N from the residue by a soil microbial biomass and crop system. Various species of leguminous trees were evaluated. To test the role of manipulation of litter quality to regulate nutrient release, a laboratory incubation study was conducted of the decomposition rates of different fractions of leaf + wood material from some selected field leguminous trees. The objective was to determine N-mineralization and -immobilization in mixtures of material from different species with contrasting pruning quality. After incorporation into soil we studied the resulting pattern of N-release and the efficiency of utilization of N by soil microorganisms and the crop. The laboratory incubation experiment with different species showed that net soil nitrogen mineralization without added organic matter was five times greater than in any of the other treatments. In the absence of fresh organic matter and no leaching the consumption of NO3- by microorganisms was low leading to net release of nitrate. Net N-mineralized in leguminous-amended soil was significantly different for the two species used and their mixture with time and for interaction species and time. The final inorganic N content in legume-amended soil ranged from 2.0 to 6.1 mg N kg-1 soil compared with 1.6 mg N kg-1 soil in the fallow-amended soil and 20.7 mg N kg-1 soil in the control soil. Thus, at the end of incubation period, mineral nitrogen decreased in the following order: Soil as control > S. paniculatum > I. edulis > A. mangium > A. angustissima > natural fallow. Both leguminous residues and the mixture of the two contrasting species caused a net immobilization of soil inorganic N during the complete incubation period. The mixture of two contrasting organic matter qualities showed significantly different patterns of net N-mineralization and net N-immobilization in comparison with the same species separately. In soil, N-mineralization increased with increases CO2 production and organic C concentration. In contrast, N immobilizations by soil microorganism increased with an increased in CO2 and organic C production, and increased with a decreased in N-concentrations. This suggested that N-dynamics in the legume-amended treatments were highly correlated with soil microbial biomass and organic C dynamics. Initial Phenol-to-N and phenol + lignin-to-N ratios were negatively bettered correlated with total net N-mineralization for leguminous species and mixtures. However, initial organic N was significantly and positively correlated with total net N-mineralization. This experiment showed that a mixture of contrasting leguminous species had different patterns of net N-mineralization and immobilization than of the single species. The I. edulis treatment presented the higher N-mineralization whereas S. paniculatum treatment showed the higher interaction with other leguminous species in terms of N-immobilization and mineralization. Both were selected for subsequent studies on the comparison of contrasting species in relation to gross N-mineralization and -immobilization. The 15N greenhouse, which used rice as an indicator plant, and 15N labour experiments were divided in two parts: first, 15N-urea fertilizer (3.92 mg N pot-1 with 5.34 atom % 15N) and leguminous leaf material (S. paniculatum, I. edulis and mixture of the two species) with N at natural abundance were combined to assess microbial immobilization and soil fixation. The second part used N-urea fertilizer (3.92 N mg pot-1 with N at natural abundance) and 15N-labeled leguminous organic material with 0.392 atom % 15N in the S. paniculatum treatment, and 0.390 atom % 15N in the I. edulis treatment, to assess the amount of mineral-N coming from organic matter decomposition. This also allowed an assessment of the extent of competition between microorganisms, soil fixation, and rice absorption. Microbial immobilization of labelled nitrogen was unaffected by rice plant growth, but was strongly affected by organic matter and nitrogen addition. Immobilization of nitrogen by organic matter decomposers was determined primarily by the amount and accessibility of available nitrogen. Differences in nitrogen immobilization by legume organic matter decomposers were greatest between N treatments, but were also affected by the mixture of two contrasting legume materials. In the greenhouse experiment using rice as an indicator plant, the treatment with mixture between two species had an intermediate cumulative soil 15N microbial-immobilization, higher cumulative rice biomass and total N, and higher recovery of 15N from urea fertilizer. This indicates that interaction of two contrasting leguminous species increase the nitrogen absorption by rice thought the increases of mineral N and a decrease of gross microbial N-immobilization. The field experiment with litterbags ran during one year, after a slash-and-mulch experiment. Contrasting species in terms of litter quality was used. The species were Acacia angustissima, A. mangium, Clitoria racemosa, Sclerolobium paniculatum, Inga edulis, and a mixture of species found in natural fallow vegetation. This field experiment showed that for the majority of the treatments an initial net N-release was not observed. Three of the treatments did not show any net N-release during the experimental period. The A. angustissima treatment, which showed higher initial P and lower C-to-N ratio, had a faster net initial N-release with subsequent accumulation. The A. mangium treatment, with a greater C-to-N ratio and intermediate lignin and phenol content showed the greater increase in the amount of N-concentration early in the rainy season. The same increase of N-concentration was observed for I. edulis treatment, with intermediate initial P and high N-concentration and high lignin and intermediate phenol concentration. These results suggested that slash-and-mulch systems with thick mats of mulch are too slow in releasing N and need to be improved for the synchronization of release with the demands by the crop. This study showed that the quality and the quantity of organic material presented an important factor affecting soil nitrogen mineralization and immobilization. Changes in soil carbon substrates influenced the dynamics of soil inorganic nitrogen because of the importance of labile carbon in the microbial immobilization and consumption of nitrogen. Contrasting leguminous species had different patterns of net N-mineralization and -immobilization in comparison with the single species. The use of two contrasting leguminous species increased the nitrogen absorption by rice through the increase of mineral-N in soil and a decrease of gross microbial N-immobilization. The study demonstrates that the plant and microbial system compete for N in the soil, and the data showed a mutual N limitation and the use of the same N-resource