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Resource typeDissertation
Title(s)Improving agricultural nutrient use efficiencies: effects of crop rotation, high carbon amendments and fertilizer application timing on barley
Alternative title(s)Verbesserung der landwirtschaftlichen Nährstoffnutzungseffizienzen: Effekte von Fruchtfolge, kohlenstoffreichen Ergänzungen und der Zeitpunkt der Düngeranwendung auf Gerste
DOI10.48548/pubdata-636
Handle20.500.14123/671
CreatorDuijnen, Richard Bert van  0000-0001-9807-2341  1229569928
RefereeTemperton, Vicky M.  0000-0003-0543-4521  1229575634
Härdtle, Werner  0000-0002-5599-5792  128982063
Bonkowski, Michael  1204263612
AdvisorTemperton, Vicky M.  0000-0003-0543-4521  1229575634
AbstractExcessive fertilizer use leads to nutrient imbalances and losses of these to the environment through leaching, runoff and gaseous emissions. Nutrient use efficiency (NUE) in agriculture is often low and improving it could increase the sustainability of agricultural systems. The main aims of this thesis were to gain a better understanding of plant-soil-microbe interactions in order to improve agricultural NUEs. The studies included experimentally tested how crops respond to addition of high carbon amendments, fertilizer application rates and timing, and crop rotations. Furthermore, methods for measurement of roots were compared and a protocol for measurement of roots was developed. The first experiment simulated an agricultural field using mesocosms. In this setting, the researchers tested the effect of 4 previous crops (precrops), which either had or did not have a symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)/rhizobia, on the focal crop (winter barley). They also tested the addition of high carbon amendments (wheat straw/sawdust) for immobilization of residual soil nitrogen (N) at harvest of the previous crop. Overall, the findings were that non-AMF precrops had a positive effect on winter barley yield compared to AMF precrops. Wheat straw reduced N leaching, whereas sawdust addition had a negative effect on the yield of winter barley. The second experiment tested the effect of different fertilizer (N/phosphorus (P)) application timings on plant traits grown in rhizoboxes. Overall, delaying N application had a more detrimental effect on plant biomass than delaying P application. The root system increased its root length initially due to N-deficiency, but was quickly thus N-limited that root length was relatively lower than the control group. Because of the many root related measurements in the second experiment, a step-by-step method for measuring root traits under controlled and field conditions was developed and included in this thesis. This method paper describes precisely how root traits of interest can be measured, and helps with deciding which approach should be taken depending on the experimental design. Additionally, the authors compared the bias and accuracy of several popular root measurement methods. Overall, these results highlight the importance of crop choice in crop rotations and the plasticity of root systems in relation to nutrient application. The results show high carbon amendments could reduce nitrate leaching after the harvest of crops, especially those with high risk of nitrate leaching, although they had only small impacts on yield.

Übermäßiger Düngemitteleinsatz führt zu einem Ungleichgewicht der Nährstoffe und deren Verlust an die Umwelt durch Auswaschung, Oberflächenabfluss und gasförmige Emissionen. Die Nährstoffnutzungseffizienz (NUE) in der Landwirtschaft ist oft niedrig und ihre Verbesserung könnte die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Systeme erhöhen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pflanze, Boden und Mikroben zu erlangen, um die landwirtschaftliche NUE zu verbessern. In zwei Versuchen wurde experimentell getestet, wie Ackerfrüchte auf die Zugabe von kohlenstoffreichen Zusatzstoffen, auf die Ausbringungsrate und den Zeitpunkt der Düngung sowie auf die Fruchtfolge reagieren. Außerdem wurden Methoden zur Messung von Wurzeln verglichen und ein Protokoll zur Messung von Wurzeln entwickelt. Das erste Experiment simulierte ein landwirtschaftliches Feld mit Hilfe von Mesokosmen. In dieser Umgebung testete das Forscherteam den Effekt von vier Vorfrüchten auf die Hauptkultur (Wintergerste), zum einen mit solchen die in einer Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF)/Rhizobien leben, zum anderen die diese nicht aufweisen. Zusätzlich testeten die Forscher die Zugabe von Zusatzstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt (Weizenstroh/Sägemehl) zur Immobilisierung von Reststickstoff im Boden bei der Ernte der Vorfrucht. Insgesamt zeigte sich, dass Nicht-AMF-Vorkulturen einen positiven Effekt auf den Ertrag von Wintergerste im Vergleich zu AMF-Vorkulturen hatten. Weizenstroh reduzierte die N-Auswaschung, während die Zugabe von Sägemehl einen negativen Effekt auf den Ertrag von Wintergerste hatte. Das zweite Experiment testete die Auswirkung verschiedener Düngemittel (Stickstoff(N)/Phosphor (P)) zu unterschiedlichen Zeiten auf die Eigenschaften von Pflanzen, die in Rhizoboxen gewachsen sind. Insgesamt hatte die Verzögerung der N-Applikation eine stärkere negative Wirkung auf die Pflanzenbiomasse als die Verzögerung der P-Applikation. Das Wurzelsystem vergrößerte seine Wurzellänge anfangs aufgrund des N-Mangels, jedoch waren die Pflanzen schnell so N-limitiert, dass die Wurzellänge relativ geringer war als in der Kontrollgruppe. Aufgrund der vielen wurzelbezogenen Messungen im zweiten Experiment wurde eine Schritt-für-Schritt-Methode zur Messung von Wurzelmerkmalen unter kontrollierten und unter Feldbedingungen entwickelt und in diese Arbeit aufgenommen. Diese Veröffentlichung beschreibt genau, wie die Wurzelmerkmale gemessen werden können. Zusätzlich haben die Forscher den systematischen Fehler und die Genauigkeit verschiedener häufig verwendeter Methoden zur Wurzelmessung verglichen. Obwohl die Methoden gut mit einer Referenzmethode korrelierten, tendierten die meisten Methoden dazu, die Gesamtwurzellänge zu unterschätzen. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung der Pflanzenauswahl in Fruchtfolgen und die Plastizität von Wurzelsystemen in Abhängigkeit von der Nährstoffapplikation. Die Ergebnisse zeigen, dass Zusätze mit hohem Kohlenstoffgehalt die Nitratauswaschung nach der Ernte von Nutzpflanzen reduzieren können, insbesondere von solchen mit hohem Risiko für Nitratauswaschung, obwohl sie nur geringe Auswirkungen auf den Ertrag haben.
LanguageEnglish
Date of defense2021-01-07
Year of publication in PubData2021
Publishing typeFirst publication
Date issued2021-03-17
Creation contextResearch
Granting InstitutionLeuphana Universität Lüneburg
Published byMedien- und Informationszentrum, Leuphana Universität Lüneburg
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