Effect of Fresh Organic Matter of Straw on Microbiological Parameters of Sod-Podzolic Soil

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The loss of soil organic matter (SOM) due to agricultural land use has a negative impact on soil properties and is one of the major contributors to the increase in atmospheric CO2 concentrations. An appropriate way for simultaneous restoration of POM stocks and deposition of sequestered carbon is the straw application to the soil. The aim of the study was to evaluate the effect of straw on the quantitative indicators of different groups of microorganisms in sod-podzolic soil (Umbric Retisol) in a long-term field experiment. Introduction of straw increased microbial biomass carbon (Cmic) by 1.25–2 times, with the greatest increase in microbial biomass observed in the variants without fertilizer. Basal respiration and respiration coefficient (qCO2) increased in the row: control < NPK < NPK + straw < straw. Application of straw increased the gene copy number of fungi and bacteria up to 2 times and archaea up to 1.5 times. Mineral fertilizer application without straw reduced qCO2, fungi biomass and archaeal gene copy number by 1.5–3.0 times. The fungi/bacteria ratio varied from 4 to 15 determined by fluorescent microscopy and from 0.17 to 0.33 by quantitative PCR. The lowest values of fungi/bacteria ratios were found in soils with the application of mineral fertilizers, and the highest – with the incorporation of straw. Thus, the regular introduction of fresh organic matter of straw is an important technological procedure to increase the microbiological activity of soil and leveling the negative impact of mineral fertilizers on soil microbiota.

About the authors

D. A. Nikitin

Dokuchaev soil science institute

Author for correspondence.
Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 119017, Moscow

M. V. Semenov

Dokuchaev soil science institute

Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 119017, Moscow

N. A. Ksenofontova

Dokuchaev soil science institute

Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 119017, Moscow

A. K. Tkhakakhova

Dokuchaev soil science institute

Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 119017, Moscow

I. V. Rusakova

All-Russian Research Institute of Organic Fertilizers and Peat

Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 601390, Vyatkino

S. M. Lukin

All-Russian Research Institute of Organic Fertilizers and Peat

Email: dimnik90@mail.ru
Russia, 601390, Vyatkino

References

  1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Оценка устойчивости микробных комплексов к природным и антропогенным воздействиям // Почвоведение. 2002. № 5. С. 580–587.
  2. Ананьева Н.Д., Стольникова Е.В., Сусьян Е.А., Ходжаева А.К. Грибная и бактериальная микробная биомасса (селективное ингибирование) и продуцирование CO2 и N2O дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биогеоценозов // Почвоведение. 2010. № 11. С. 1387–1393.
  3. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2011. № 11. С. 1327–1333.
  4. Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2016.
  5. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 302 с.
  6. Лаврентьева Е.В., Семенов А.М., Зеленев В.В., Чжун Ю., Семенова Е.В., Семенов В.М., Намсараев Б.Б., Ван Бругген А.К.Х. Ежедневная динамика целлюлазной активности в пахотной почве в зависимости от обработки // Почвоведение. 2009. № 8. С. 952–961.
  7. Лукин С.М. История научных исследований по плодородию почв и применению удобрений (к 105-летию с образования Судогодского опытного поля ФГБНУ ВНИИОУ) // История науки и техники. 2018. № 3. С. 3–17.
  8. Никитин Д.А., Чернов Т.И., Железова А.Д., Тхакахова А.К., Никитина С.А., Семенов М.В., Ксенофонтова Н.А., Кутовая О.В. Сезонная динамика биомассы микроорганизмов в дерново-подзолистой почве // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1356–1364. https://doi.org/10.1134/S0032180X19110078
  9. Никитин Д.А., Иванова Е.А., Железова А.Д., Семенов М.В., Гаджиумаров Р.Г., Тхакахова А.К., Чернов Т.И., Ксенофонтова Н.А., Кутовая О.В. Оценка влияния технологии no-till и вспашки на микробиом южных агрочерноземов // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1508–1520. https://doi.org/10.31857/S0032180X20120084
  10. Никитин Д.А., Семенов М.В., Чернов Т.И., Ксенофонтова Н.А., Железова А.Д., Иванова Е.А., Хитров Н.Б., Степанов А.Л. Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор) // Почвоведение. 2022. № 2. С. 228–243. https://doi.org/10.31857/S0032180X22020095
  11. Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. № 6. С. 706–714.
  12. Полянская Л.М., Суханова Н.И., Чакмазян К.В., Звягинцев Д.Г. Особенности изменения структуры микробной биомассы почв в условиях залежи // Почвоведение. 2012. № 7. С. 792–792.
  13. Полянская Л.М., Юмаков Д.Д., Тюгай З.Н., Степанов А.Л. Соотношение грибов и бактерий в темногумусовой лесной почве // Почвоведение. 2020. № 9. С. 1094–1099. https://doi.org/10.31857/S0032180X20090129
  14. Русакова И.В. Влияние соломы зерновых и зернобобовых культур на содержание углерода, агрохимические свойства и баланс элементов питания в дерново-подзолистой почве // Агрохимический вестник. 2015. № 6. С. 6–10.
  15. Русакова И.В. Микробиологические и экофизиологические параметры дерново-подзолистой почвы при длительном применении соломы и минеральных удобрений, их связь с урожайностью // Сельскохозяйственная биология. 2020. № 55(1). С. 153–162. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2020.1.153rus
  16. Семенов B.М., Ходжаева А.К. Агроэкологические функции растительных остатков в почве // Агрохимия. 2006. № 7. С. 63–81.
  17. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  18. Семенов В.М., Паутова Н.Б., Лебедева Т.Н., Хромычкина Д.П., Семенов Н.А., Лопес де Гереню В.О. Разложение растительных остатков и формирование активного органического вещества в почве инкубационных экспериментов // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1172–1184. https://doi.org/10.1134/S0032180X19100113
  19. Семенов М.В. Метабаркодинг и метагеномика в почвенно-экологических исследованиях: успехи, проблемы и возможности // Журн. общ. биологии. 2019. № 80(6). С. 403–417. https://doi.org/10.1134/S004445961906006X
  20. Семенов М.В., Никитин Д.А., Степанов А.Л., Семенов В.М. Структура бактериальных и грибных сообществ ризосферного и внекорневого локусов серой лесной почвы // Почвоведение. 2019. № 3. С. 355–369. https://doi.org/10.1134/S0032180X19010131
  21. Семенов М.В., Манучарова Н.А., Краснов Г.С., Никитин Д.А., Степанов А.Л. Биомасса и таксономическая структура микробных сообществ в почвах правобережья р. Оки // Почвоведение. 2019. № 8. С. 974–985. https://doi.org/10.1134/S0032180X19080124
  22. Чернов Т.И., Семенов М.В. Управление почвенными микробными сообществами: возможности и перспективы (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1506–1522.
  23. Angst G., Mueller K.E., Nierop K.G., Simpson M.J. Plant-or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter // Soil Biol. Biochem. 2021. V. 156. P. 108189. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108189
  24. Bailey V.L., Smith J.L., Bolton H., Jr. Fungal-to-bacterial ratios in soils investigated for enhanced C sequestration // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34. P. 997–1007. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(02)00033-0
  25. Berhane M., Xu M., Liang Z., Shi J., Wei G., Tian X. Effects of long-term straw return on soil organic carbon storage and sequestration rate in North China upland crops: A meta-analysis // Global Change Biol. 2020. V. 26. P. 2686–2701. https://doi.org/10.1111/gcb.15018
  26. Chen X., Liu M., Kuzyakov Y., Li W., Liu J., Jiang C., Meng Wu, Li Z. Incorporation of rice straw carbon into dissolved organic matter and microbial biomass along a 100-year paddy soil chronosequence // Appl. Soil Ecol. 2018. V. 130. P. 84–90. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.06.004
  27. Chen X., Xia Y., Rui Y., Ning Z., Hu Y., Tang H., He H., Li H., Kuzyakov Y., Ge T., Wu J., Su Y. Microbial carbon use efficiency, biomass turnover, and necromass accumulation in paddy soil depending on fertilization // Agriculture, Ecosystems Environment. 2020. V. 292. P. 106816. https://doi.org/10.1016/j.agee.2020.106816
  28. Craine J., Elmore A.J., Wang L., Aranibar J., Bauters M., Boeckx P. et al. Isotopic evidence for oligotrophication of terrestrial ecosystems // Nature Ecology and Evolution. 2018. V. 2. P. 1735–1744.
  29. Fan F., Yu B., Wang B., George T.S., Yin H., Xu D., Li D., Song A. Microbial mechanisms of the contrast residue decomposition and priming effect in soils with different organic and chemical fertilization histories // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 135. P. 213–221. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.05.001
  30. Francioli D., Schulz E., Lentendu G., Wubet T., Buscot F., Reitz T. Mineral vs. organic amendments: microbial community structure, activity and abundance of agriculturally relevant microbes are driven by long-term fertilization strategies // Frontiers in Microbiology. 2016. V. 7. P. 1446. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01446
  31. Han P., Zhang W., Wang G., Sun W., Huang Y. Changes in soil organic carbon in croplands subjected to fertilizer management: a global meta-analysis // Scientific Reports. 2016. V. 6(1). P. 1–13. https://doi.org/10.1038/srep27199
  32. He J.Z., Hu H.W., Zhang L.M. Current insights into the autotrophic thaumarchaeal ammonia oxidation in acidic soils // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 55. P. 146–154. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.06.006
  33. He M., Ma W., Zelenev V.V., Khodzaeva A.K., Kuznetsov A.M., Semenov A.M., Semenov V.M., Blok W.W., van Bruggen A.H.C. Short-term dynamics of greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in response to induced and natural disturbances in organically and conventionally managed soils // Appl. Soil Ecol. 2017. V. 119. P. 294–306. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2017.07.011
  34. Heděnec P., Nilsson L.O., Zheng H., Gundersen P., Schmidt I.K., Rousk J., Vesterdal L. Mycorrhizal association of common European tree species shapes biomass and metabolic activity of bacterial and fungal communities in soil // Soil Biol. Biochem. 2020. V. 149. P. 107933. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107933
  35. Geisseler D., Scow K.M. Long-term effects of mineral fertilizers on soil microorganisms – A review // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 75. P. 54–63. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2014.03.023
  36. Geng Y., Cao G., Wang L., Wang S. Effects of equal chemical fertilizer substitutions with organic manure on yield, dry matter, and nitrogen uptake of spring maize and soil nitrogen distribution // PloS One. 2019. V. 14. P. e0219512. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219512
  37. Jin Z., Shah T., Zhang L., Liu H., Peng S., Nie L. Effect of straw returning on soil organic carbon in rice–wheat rotation system: A review // Food and Energy Security. 2020. V. 9(2). P. e200. https://doi.org/10.1002/fes3.200
  38. Iovieno P., Morra L., Leone A., Pagano L., Alfani A. Effect of organic and mineral fertilizers on soil respiration and enzyme activities of two Mediterranean horticultural soils // Biol. Fertil. Soils. 2009. V. 45. P. 555–561. https://doi.org/10.1007/s00374-009-0365-z
  39. Landenmark H.K., Forgan D.H., Cockell C.S. An estimate of the total DNA in the biosphere // PLoS Biology. 2015. V. 13. P. e1002168. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002168
  40. Liang Y., Al-Kaisi M., Yuan J., Liu J., Zhang H., Wang L., Cai H., Ren J. Effect of chemical fertilizer and straw-derived organic amendments on continuous maize yield, soil carbon sequestration and soil quality in a Chinese Mollisol // Agriculture, Ecosystems Environment. 2021. V. 314. P. 107403. https://doi.org/10.1016/j.agee.2021.107403
  41. Liu C., Lu M., Cui J., Li B., Fang C. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils: a meta-analysis // Global Change Biology. 2014. V. 20. P. 1366–1381. https://doi.org/10.1111/gcb.12517
  42. Lu F. How can straw incorporation management impact on soil carbon storage? A meta-analysis // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2015. V. 20. P. 1545–1568. https://doi.org/10.1007/s11027-014-9564-5
  43. Malik A.A., Chowdhury S., Schlager V., Oliver A., Puissant J., Vazquez P.G., Jehmlich N., Bergen M., Griffiths R.I., Gleixner G. Soil fungal: bacterial ratios are linked to altered carbon cycling // Frontiers in Microbiology. 2016. V. 7. P. 1247. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01247
  44. Morais M.C., Ferrari B.M., Borges C.D., Cherubin M.R., Tsai S.M., Cerri C.C., Cerri C.E.P, Feigl B.J. Does sugarcane straw removal change the abundance of soil microbes? // BioEnergy Research. 2019. V. 12. P. 901–908. https://doi.org/10.1007/s12155-019-10018-5
  45. Saleem M., Law A.D., Sahib M.R., Pervaiz Z.H., Zhang Q. Impact of root system architecture on rhizosphere and root microbiome // Rhizosphere. 2018. V. 6. P. 47–51. https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2018.02.003
  46. Semenov M.V., Krasnov G.S., Semenov V.M., van Bruggen A.H. Long-term fertilization rather than plant species shapes rhizosphere and bulk soil prokaryotic communities in agroecosystems // Appl. Soil Ecol. 2020. V. 154. P. 103641. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103641
  47. Semenov M.V., Krasnov G.S., Semenov V.M., Ksenofontova N., Zinyakova N.B., van Bruggen A.H. Does fresh farmyard manure introduce surviving microbes into soil or activate soil-borne microbiota? // J. Environ. Managem. 2021. V. 294. P. 113018.
  48. Semenov M.V., Krasnov G.S., Semenov V.M., van Bruggen A. Mineral and organic fertilizers distinctly affect fungal communities in the crop rhizosphere // J. Fungi. 2022. V. 8. P. 251. https://doi.org/10.3390/jof8030251
  49. Six J., Frey S.D., Thiet R.K., Batten K.M. Bacterial and fungal contributions to carbon sequestration in agroecosystems // Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. V. 70(2). P. 555–569. https://doi.org/10.2136/sssaj2004.0347
  50. Soares M., Rousk J. Microbial growth and carbon use efficiency in soil: Links to fungal-bacterial dominance, SOC-quality and stoichiometry // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 131. P. 195–205. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.01.010
  51. Suzuki M.T., Taylor L.T., DeLong E.F. Quantitative analysis of small-subunit rRNA genes in mixed microbial populations via 5′-nuclease assays // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66(11). P. 4605–4614. https://doi.org/10.1128/AEM.66.11.4605-4614.2000
  52. Tiefenbacher A., Sandén T., Haslmayr H.-P., Miloczki J., Wenzel W., Spiegel H. Optimizing Carbon Sequestration in Croplands: A Synthesis // Agronomy. 2021. V. 11. P. 882. https://doi.org/10.3390/agronomy11050882
  53. van Bruggen A.H.C., He M., Zelenev V.V., Semenov V.M., Semenov A.M., Semenova E.V., Kuznetsova T.V., Khodzaeva A.K., Kuznetsov A.M., Semenov M.V. Relationships between greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in conventional, organic and long-term grass plots as affected by environmental variables and disturbances // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 114. P. 145–159. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.07.014
  54. Wang D., Zhu Z., Shahbaz M., Chen L., Liu S., Inubushi K., Wu J., Ge T. Split N and P addition decreases straw mineralization and the priming effect of a paddy soil: a 100-day incubation experiment // Biol. Fertil. Soils. 2019. V. 55. P. 701–712. https://doi.org/10.1007/s00374-019-01383-6
  55. Wang Y., Wu P., Mei F., Ling Y., Qiao Y., Liu C., Legharic S.J., Guan X., Wang T. Does continuous straw returning keep China farmland soil organic carbon continued increase? A meta-analysis // J. Environ. Management. 2021. V. 288. P. 112391. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112391
  56. Wessén E., Nyberg K., Jansson J.K., Hallin S. Responses of bacterial and archaeal ammonia oxidizers to soil organic and fertilizer amendments under long-term management // Appl. Soil Ecol. 2010. V. 45. P. 193–200. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2010.04.003
  57. Wu L., Zhang W., Wei W., He Z., Kuzyakov Y., Bol R., Hu R. Soil organic matter priming and carbon balance after straw addition is regulated by long-term fertilization // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 135. P. 383–391. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.06.003
  58. Yan D., Long X.E., Ye L., Zhang G., Hu A., Wang D., Ding S. Effects of salinity on microbial utilization of straw carbon and microbial residues retention in newly reclaimed coastal soil // Eur. J. Soil Biol. 2021. V. 107. P. 103364. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2021.103364
  59. Yang H., Fang C., Meng Y., Dai Y., Liu J. Long-term ditch-buried straw return increases functionality of soil microbial communities // Catena. 2021. V. 202. P. 105316. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105316
  60. Yansheng C., Fengliang Z., Zhongyi Z., Tongbin Z., Huayun X. Biotic and abiotic nitrogen immobilization in soil incorporated with crop residue // Soil Till. Res. 2020. V. 202. P. 104664. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104664
  61. Zhao X.M., He L., Zhang Z.D., Wang H.B., Zhao L.P. Simulation of accumulation and mineralization (CO2 release) of organic carbon in chernozem under different straw return ways after corn harvesting // Soil Till. Res. 2016. V. 156. P. 148–154. https://doi.org/10.1016/j.still.2015.11.001
  62. Zhao M., Zhao J., Yuan J., Hale L., Wen T., Huang Q., Vivanco J.M., Zhou J., Kowalchuk G.A., Shen Q. Root exudates drive soil-microbe-nutrient feedbacks in response to plant growth // Plant, Cell Environ. 2021. V. 44. P. 613–628. https://doi.org/10.1111/pce.13928
  63. Zhu L.Q., Li J., Tao B.R., Hu N.J. Effect of different fertilization modes on soil organic carbon sequestration in paddy fields in South China: A meta-analysis // Ecol. Indic. 2015. V. 53. P. 144–153. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2015.01.038

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (91KB)
Indexing metadata
3.

Download (99KB)
Indexing metadata
4.

Download (348KB)
Indexing metadata
5.

Download (338KB)
Indexing metadata
6.

Download (152KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Д.А. Никитин, М.В. Семенов, Н.А. Ксенофонтова, А.К. Тхакахова, И.В. Русакова, С.М. Лукин

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies