Kurzfassung Band 75

Fuhrmann, Irabella (2018): Introducing non-flooded crops in rice cropping systems – impacts on soil nitrogen dynamics. 143 S.
Kurzfassung BBA 75

In welchem Ausmaß beeinflusst die Einführung von Mais oder Trockenreis die Wiederfindung von N?

Ich vermutete, dass die Einführung von Mais oder Trockenreis zu einer reduzierten Wiederfindung des mit 15N markierten N-Düngers im Boden und in den Pflanzen führt, da es zum einen zu einer erhöhten Immobilisierung des markierten N-Düngers in mikrobiellen Rückständen unter permanent geflutetem Reisanbau kommt und zum anderen zu höheren N-Verlusten unter Mais und Trockenreis im Vergleich zum permanenten Reisanbau.

Sind präferentielle Fließwege “Hot Spots” für Nährstoffumsetzungen und -einträge in Reisböden?

Ich erwartete, dass Trockenrisse einerseits als präferentielle Fließwege dienen, die zu Wasserverlusten führen und dass sie andererseits auch den Eintrag an Kohlenstoff (C) und Nährstoffen in größere Bodentiefen erhöhen. Ich postulierte, dass die erhöhten Konzentrationen an organischem C und Nährstoffen dazu führen, dass diese Trockenrisse „Hot Spots“ mit erhöhter mikrobieller Aktivität sind.

Kann das Mulchen mit Reisstroh in Kombination mit Zwischenfrüchten die Bildung von Trockenrissen und die Auswaschung von Wasser, C und N nach der Einführung von Mais in permanente Nassreisanbausysteme reduzieren?

Ich nahm an, dass die beschriebenen Anbaumethoden anfängliche Auswaschungsverluste von organischem C und N in diesen Reisanbausystemen reduzieren würden.

Um diese Hypothesen zu testen, wurde ein Feldexperiment mit verschiedenen Reisanbausystemen mit nicht gefluteten Kulturen im Internationalen Reisforschungsinstitut (Los Baños, Philippinen) implementiert. Um Hypothese (i) zu testen, wurde ein 15N markierter Harnstoff benutzt, um den Verbleib des N im Boden-Pflanze-System nachvollziehen zu können. Hypothese (ii) wurde in einem Farbtracerversuch in einem Mais – Nassreisanbausystem mit und ohne Strohapplikation getestet, gefolgt von einem Bodenrissmonitoring. Ein Lysimeterexperiment wurde fortgeführt, welches Wasserflüsse und Auswaschungsverluste während und nach der Umstellung eines Mais – Nassreisanbausystems mit Strohapplikation (während der Übergangsphase von der Regen- auf die Trockenzeit) und dem Anbau von Zwischenfrüchten (während der Übergangsphase von der Trocken- auf die Regenzeit) quantifizierte, um Hypothese (iii) zu testen.

Die Ergebnisse zeigten, dass (i) die Einführung nicht gefluteter Kulturen in Nassreisanbausystemen zu einer reduzierten Wiederfindung von gedüngtem N in Pflanzen und Boden, speziell in den obersten 5 cm, führte. In allen Anbausystemen wurden 3 – 4% des gedüngten N in mikrobielle Rückstände aufgenommen. Bakterielle Gemeinschaften dominierten N-Sequestrationsprozesse langfristig. Somit verblieb der größte Teil des N-Düngers im Boden (33 – 46%) oder wurde von den Reis- oder Maispflanzen aufgenommen und mit dem Erntegut abgeführt (23 – 26%). Im Mais  - Nassreisanbau wurden zudem große Anteile von N ausgewaschen (35%). Des Weiteren zeigte das Experiment, dass (ii) präferentielle Fließwege „Hot Spots“ für Nährstoffkreisläufe darstellen, da diese mit C und Pflanzennährstoffen (N, Ca2+, K+, Mg2+) angereichert waren. Ein erhöhter Einbau von 15N in mikrobielle Rückstände entlang der Fließwege und eine tendenziell höhere Abundanz von 16S rRNA, deuteten auf eine erhöhte Aktivität der Mikroorganismen und auf eine höhere Verfügbarkeit an Pflanzennährstoffen, im Vergleich zum umliegenden Matrixboden, hin. Das Bodenrissmonitoring zeigte, dass Trockenrisse erhöhte mikrobielle Aktivitäten im Vergleich zum umliegenden Boden aufweisen. Die erhöhte Aktivität verstärkte den mikrobiellen Einbau des gedüngten 15N in den Rissen, welcher vor allem für Rückstände von Pilzen und nur in den Versuchen mit zusätzlichem Reisstroh beobachtet wurde. Das Lysimeterexperiment (iii) zeigte hohe anfängliche Sickerwasser-, C- und N-Verluste durch Auswaschungen nach der Einführung von Mais in die Fruchtfolge. Diese Verluste waren unabhängig vom Auftreten oberflächiger Trockenrisse, da sie nicht mit dem Unterboden und der Grundwasseroberfläche verbunden waren. Ein angepasstes Management, wie die Zugabe von Stroh und der Anbau einer Zwischenfrucht, konnten diese Verluste, im Vergleich zu herkömmlichen Mais – Nassreisfurchtfolgen, nicht vollständig verhindern.

Zusammenfassend zeigt meine Arbeit, dass die Einführung nicht gefluteter Kulturen in permanente Nassreisanbausysteme zu hohen Anfangsverlusten von N führt, welche nicht allein durch die Bildung von Trockenrissen gefördert wird, sondern generell von präferentiellen Fließwegen. Diese Anfangsverluste sinken jedoch mit der Zeit, wahrscheinlich durch den Verschluss von Makroporen, welche sich in der ersten Anbauperiode von Mais bilden.

Abstract Band 75

Fuhrmann, Irabella (2018): Introducing non-flooded crops in rice cropping systems – impacts on soil nitrogen dynamics. 143 S.

Abstract BBA 75

To what extent does the introduction of maize or dry rice alter N fertilizer recovery? I hypothesized that the introduction of maize or dry rice would result in reduced 15N fertilizer recovery in bulk soil and in maize and dry rice due to losses to groundwater and atmosphere and the immobilization of fertilizer 15N in microbial residues. I expected that leaching losses are triggered by desiccation cracks in the shrunken soil following maize and dry rice cropping, reducing 15N recovery by paddy rice plants from fertilizer application.

Are preferential flow paths “hot spots” for nutrient cycling and nutrient inputs in paddy soils? I hypothesized that desiccation cracks serve, on the one hand, as preferential flow paths causing water losses, and that, on the other hand, these paths also increase inputs of carbon (C) and nutrients into the subsoil. I hypothesized that the elevated organic C and nutrient concentrations make these cracks to “hot spots” of nutrient cycling by an active microbial biomass. 

Can mulching using rice straw in combination with cover cropping reduce crack formation and water, C and N leaching from soil after introducing maize into a permanent paddy rice cropping system?

I hypothesized that adapted management practices, described above, would reduce the initial leaching losses of dissolved organic C and N in these paddy rice systems.

To test these hypotheses, a field experiment with different upland - paddy rice cropping systems was established at the International Rice Research Institute (Los Baños, Philippines). To test hypothesis (i) 15N labelled urea was used to trace the fate of the fertilizer in the plant-soil system. Hypothesis (ii) was investigated using a dye tracer experiment in a maize – paddy rice system with and without rice straw application, followed by a soil crack monitoring experiment. A lysimeter experiment was continued to quantify water flux and leaching losses during and after the transition phase of a maize – paddy rice system with straw application (during the wet-to-dry fallow phase) and cover cropping (during the dry-to-wet fallow phase) to test hypothesis (iii).

The results revealed that (i) the introduction of upland crops lead to reduced fertilizer N recovery in plant biomass and soil, especially in the first 5 cm. In all cropping systems, 3 – 4% of fertilizer N was incorporated into microbial residues. Bacterial communities dominated N sequestration processes in the long-term. Thus, most of the fertilizer N remained in the soil (33 – 46%) or was removed with the harvested rice and maize plant biomass (23 – 26%). Under maize – paddy rice cropping, similar amounts were also lost via leachates during the dry season (35%). Furthermore, the experiments showed that (ii) preferential flow paths are “hot spots” for nutrient cycling because they were enriched with total C and plant nutrients (N, Ca2+, K+, Mg2+). Larger fertilizer N incorporation into residual microbial biomass along the flow paths, as well as tendentiously elevated copy numbers of 16S rRNA, pointed to higher microbial activity and larger nutrient availability in flow paths compared to the surrounding matrix soil. Monitoring the cracks over time revealed that desiccation cracks exhibited larger microbial activities than in the surrounding bulk soil. The increased activity fostered microbial uptake of fertilizer 15N along the cracks, which was detected mainly in fungal residues and only in the fields receiving additionally rice straw. The lysimeter experiment (iii) showed large initial percolation, C and N losses due to leaching after maize was introduced. These losses were independent of surface desiccation crack appearance because they were not connected to the subsoil and groundwater table. Adapted management such as straw application and cover cropping could not fully prevent C and N losses during the transition from continuous paddy rice cropping to maize - paddy rice cropping.

In summary, my work shows that introducing upland crops into continuous paddy rice systems results in large initial N losses, which are not solely triggered by crack formation, but generally by preferential flow paths. However, these initial losses of N diminish in the long term, probably because of clogging of macropores, which form during the first maize growing season.