Bacterial community responses to soil-injected liquid ammonium nutrition and effect of temperature on barley (Hordeum vulgare L.) grain yield formation

Abstract

Injection of concentrated liquid ammonium nutrition into soil is an agricultural practice aimed at mitigating nitrogen losses. In Germany, it is referred to as controlled uptake long term ammonium nutrition (CULTAN) technique. Being an anion, nitrate is mobile in soil and thus is not bound to negatively charged surfaces of clay minerals or organic compounds. This may thus result in leaching and may eventually cause environmental pollution. Ammonium ions, on the other hand, may be unspecifically bound to negatively charged surfaces or even fixed in inter-layers of 2:1 clay minerals. Upon injection of liquid ammonium into soil, it remained the predominant N form accompanied by acidic pH values suggesting its stability. However, its concentration rapidly decreased 30 days after injection. Unspecifically bound ammonium liable for exchange was readily oxidized to nitrate by nitrifying bacteria. The demonstration of bacterial community occurrence within the ammonium injection-zones and the detection of ammonia monooxygenase sub-unit A (amoA) gene revealed the occurrence of ammonia oxidizing bacteria (AOB) within the depot-zones where nitrification was greatest. The suppression of nitrification through the incorporation of nitrification inhibitor (Nitrapyrin®) is clear evidence that ammonium transformation was microbialy mediated. The population of ammonia oxidizing bacteria in treatments experiencing mixed nitrogen nutrition had the highest estimates of population abundance. Bacterial community banding profiles were restored to patterns similar to those of nitrate and non-fertilized control treatments which remained same over the season, suggesting endogenous stability of bacterial community structure. This indicated that CULTAN fertilization effects are not permanent, but only transient. The study provided the first molecular evidence of bacterial community occurrence in CULTAN-fertilized soils contrary to the presumption that ammonium injected-depots never allow any microbial inhabitation and/or any substantial activity. Non-incorporation of nitrification inhibitor caused formation of high concentrations of nitrate which suggesting that CULTAN technique offers mixed nitrogen nutrition contrary to earlier assumptions that it supplies predominantly ammonium. This is the first experimental evidence of the occurrence of mixed nitrogen nutrition in CULTAN-fertilized soils. It can be generally concluded from this study that growth temperatures interact with CULTAN-injected liquid ammonium to cause a suite of growth responses such as growth duration alterations, tillering and ear formation which have a great impact on grain and biomass yields. Crop growth rate among different phenological stages influenced grain yield and yield forming-factors which significantly affected yield output. The role of temperature on microbial activity, especially the nitrification of injected liquid ammonium can not be ruled out. The possible occurrence of mixed nitrogen and crop growth durations could have also contributed to superior grain and biomass yields under low temperatures. These findings could be useful under temperate and tropical regions. Die Injektion hochkonzentrierter Ammonium-Lösungen in den Boden ist eine landwirtschaftliche Praxis, die eine Verminderung von Stickstoffverlusten zum Ziel hat. In Deutschland ist sie unter der Bezeichnung Controlled Uptake Long Term Ammonium Nutrition (CULTAN)-Düngetechnik bekannt. Nach Injektion in den Boden adsorbiert NH4+ an Tonminerale der Bodenmatrix unter Bildung eines Komplexes hoher NH4+-N Konzentration mit toxischer Wirkung auf Pflanzenwurzeln. Unmittelbar zur Injektion und einige Tage danach war NH4+-N die vorherrschende N-Form, was auf seine Stabilität im Boden hindeutet. Nach 30 Tagen war NH4+-N weiterhin im Boden nachweisbar, seine Konzentration hatte jedoch schnell abgenommen. Das Auftreten von Bakteriengemein-schaften innerhalb der vermeintlich toxischen Zonen der Injektionsdepots ermöglichte die Transformation des NH4+-N. Dieses führte zu einer schnellen Abnahme des NH4+-N sowohl aufgrund bakterieller Aktivitäten als auch der Aufnahme durch die Pflanzen. Mit der Abnahme der NH4+-N-Konzentration war eine schnelle Akkumulation von NO3--N verbunden. Die Inkorporation eines Nitrifikationsinhibitors (Nirapyrin,) verbesserte zwar die Stabilität des injizierten NH4+-N durch Unterdrücken des Nitrifikationsprozesses, war jedoch ohne Einfluss auf die Abnahmerate des NH4+-N. Ohne die Inkorporation von NI erfolgte die Nitrifikation unvermindert und hatte die Bildung großer NO3--N -Akkumulationen für die Pflanzenaufnahme zur Folge. Die Transformation von NH4+- in NO3--N legt nahe, dass die CULTAN-Düngetechnik eher eine gemischte N-Ernährung darstellt, im Gegensatz zu früheren Annahmen, die auf einer vorherrschenden NH4+-N-Ernährung basierten. Der Wechsel von einer vorherrschenden NH4+-N zu einer gemischten N-Ernährung könnte eine Rolle gespielt haben bei der Abschwächung von NH4+-N-Toxizitätssymptomen, die im allgemeinen bei Pflanzen auftreten, die unter alleiniger NH4+-N-Ernährung kultiviert wurden. Während bei gemischter N-Ernährung generell von höheren Kornerträgen berichtet wird, konnte in der vorliegenden Untersuchung keine Erhöhung beobachtet werden. Die vorliegende Untersuchung hat den ersten molekularbiologischen Nachweis geliefert, der das Auftreten von Bakteriengemeinschaften innerhalb von mit CULTAN gedüngten Böden demonstriert. Die Ergebnisse stehen damit im Gegensatz zu der bisherigen Annahme, dass die Depot-Zonen hoch toxisch bleiben und keine mikrobielle Besiedlung und /oder substantielle Aktivität erlauben. Darüber hinaus besaßen die vermeintlich toxischen Zonen mit hoher NH4+-N-Konzentration und sauren pH-Werten die höchste Diversität in den Bakteriengemeinschaften. Diese Diversität veränderte sich räumlich und zeitlich in Hinblick auf die Entfernung vom Injektionszentrum beziehungsweise auf die Zeit nach Injektion. Die Analyse des amoA-Gens belegte das Auftreten Ammonium-oxidierender Bakterien (AOB) innerhalb derselben toxischen Zonen. Es ist anzunehmen, dass ihre funktionale Rolle im wesentlichen die N-Transformation war, insbesondere bei Injektionen ohne NI-Inkorporation. Im Gegensatz zur großen Bakterien-Diversität zu Beginn der Kultur, reduzierte sich die Diversität im weiteren Kulturverlauf. Die Population der AOB war in derjenigen Behandlung am vielfältigsten, bei der sich eine gemischte N-Ernährung entwickelte, insbesondere in der Behandlung mit Pflanzenbesatz. Das deutet darauf hin, dass hohe Nitrifikationsraten per se nicht das Auftreten vielfältiger Populationen unterstützen. Eher hätten die Wurzeln der Pflanzen Exudate erzeugt und damit die Nahrungsversorgung verbessert und zusätzlich durch die Schaffung von Nischen die Konkurrenz verringert haben können. Es gibt Hinweise für das Auftreten einiger nicht-identifizierter Ammonium-Oxidierer in den untersuchten Zonen. Die Beobachtung multipler Peaks der DNA-Schmelzpunkte scheint diese Annahme zu unterstützen. Die Interaktion von Wachstumstemperaturen und injiziertem Ammonium-Flüssigdünger (CULTAN) hatte eine Abfolge physiologischer und morphologischer Reaktionen auf das Wachstum zur Folge, wie z.B. auf die Wachstumsdauer. Die Rate des Pflanzenwachstums während einzelner phänologischer Phasen hatte einen großen Einfluss auf den Kornertrag und auf ertragsbildende Strukturen wie Triebe, Ähren und Kornzahlen wie auch Körnergewichte, woraus sich signifikante Veränderungen des Ertrags ergaben. Eine Rolle der Temperatur auf die mikrobiologische Aktivität, insbesondere die Nitrifikation des injizierten NH4+-N, kann nicht ausgeschlossen werden. Das mögliche Auftreten gemischter N-Ernährung und die Dauer des Pflanzenwachstums könnten die Ursache für hohe Erträge unter niedrigen Temperaturen gewesen sein. Diese Ergebnisse könnten für gemäßigte und tropische Regionen von Nutzen sein.