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Doctoral Thesis
2016
Fertilizer placement and the potential for its combination with bio-effectors to improve crop nutrient acquisition and yield
Fertilizer placement and the potential for its combination with bio-effectors to improve crop nutrient acquisition and yield
Abstract (English)
Even when total nitrogen (N) and phosphorus (P) concentrations in most agricultural soils are high, the concentrations of plant-available N and P fractions are often inadequate for acceptable yield. In comparison to conventional fertilizer application by homogenous broadcast over the soil surface (with or without subsequent incorporation), fertilizer placement in defined soil areas/volumes close to seeds or crop roots is a more effective application method to enhance the plant-availability of applied fertilizers. Nevertheless, considerable root growth in subsurface nutrient patches or around concentrated fertilizer-depots (and/or improved nutrient influx rates in roots) is a prerequisite for improved uptake of placed nutrients. Furthermore, zones with intense rooting around placed fertilizer depots (“rhizosphere hotspots”) with high concentrations of organic nutrients released as root exudates may be favorable for the survival and establishment of inoculated plant-growth-promoting microorganisms (PGPMs), which mobilize nutrients in soil to favor plant growth.
In the last three decades, several published field studies comparing fertilizer placement to fertilizer broadcast arrived at different and often conflicting results regarding their effects on yield and nutrient status of various crops. For this reason, the first task was to conduct a Meta-analysis on data in published peer-reviewed field studies on fertilizer placement that met a set of pre-defined criteria for inclusion. We investigated the relative effect of fertilizer placement for specific fertilizer formulations (e.g. NH4+ and CO(NH2)2 without or in combination with soluble P (HPO42-; H2PO4-); soluble K; solid or liquid manure) in a precise restricted area on surface or subsurface soil in comparison to fertilizer broadcast on yield, nutrient concentration and content in above-ground plant parts. We utilized data from a total of 40 field studies published between 1982 and 2015 (85% of studies published from 2000) that met our criteria. We used the method of “baseline contrasts” to compare different fertilizer placement treatments to fertilizer broadcast as a common control or baseline treatment. Results showed that overall, fertilizer placement led to +3.7% higher yields, +3.7% higher concentrations of nutrients in above-ground plant parts and +11.9% higher contents of nutrients also in above-ground plant parts than fertilizer broadcast application. Placement depth had a strong effect of the outcome of fertilizer placement because relative placement effects increased with increasing fertilizer placement depth. Composition of fertilizer formulations was also an important factor. High yields of fertilizer placement relative to fertilizer broadcast application were obtained for CO(NH2)2 in combination with soluble P (HPO42-; H2PO4-) (+27%) or NH4+ in combination with HPO42-; H2PO4- (+15%) (Nkebiwe et al., 2016 a: Field Crops Research 196: 389–401).
The next aim was to investigate the effect of fertilizer placement in subsurface soil in combination with application of bio-effectors (BEs) (PGPMs and natural active substances such as humic acids and seaweed extracts) on root growth of crop plants, establishment of inoculated PGPM in the rhizosphere, grain and biomass production as well as plant nutrient status for maize (Zea mays L) and wheat (Triticum aestivum L) cultures. Through various pot and rhizobox experiments, we observed that placement of a subsurface concentrated NH4+-fertilizer depot stabilized with the nitrification inhibitor DMPP (3,4-di-methylpyrazolphosphate) induced dense rooting around the depot contributing to more efficient exploitation of the depot. For this, it was crucial the N persisted in the depot mainly as poorly mobile NH4+, in order to induce localized depot-zone root-growth as well as favorable chemical and biological changes in the rhizosphere to improve N and P uptake by crop plants. Through in vitro culture experiments on solid and liquid media, we could show that via acidification of the growth media, several selected microbial BEs were capable to solubilize sparingly soluble inorganic phosphates and also that these BEs showed considerable tolerance to high concentrations of NH4+ und DMPP. The latter indicated a potential for the BEs to colonize plant roots in NH4+-rich well rooted soil zones around a subsurface NH4+-fertilizer depot (Nkebiwe et al., 2016 c: Manuscript submitted). Through further pot experiments and four others experiments as Bachelor and Master theses conduction under my supervision, we observed that certain BEs that readily solubilized tri-calcium phosphates in vitro were able to mobilize rock phosphate (RP) applied in soil-based substrates when N was supplied as stabilized NH4++DMPP, thereby contributing to enhanced P uptake and growth of maize and wheat plants. The bacterial BE Pseudomonas sp. DSMZ 13134 and BE consortia products containing bacteria and fungi such as CombiFectorA were good candidates. BE-induced RP-solubilzation occurred mainly in substrates with low CaCO3 contents indicating low P sorption capacity for neutral and moderately alkaline soils. With CombiFectorA, maize P-acquisition from sewage sludge ash could be enhanced, thus increasing the efficiency of a sparingly soluble fertilizer based of recycled wastes. Possible explanations for the beneficial effects of best performing BEs to improve plant growth were enhanced solubility of sparingly soluble P fertilizers via acidification of the rhizosphere and release of nutrient-chelating substances as well as improvement of root growth for better spatial interception of nutrients (Nkebiwe et al., 2016 d: Manuscript in preparation).
Alongside, more greenhouse and two field experiments (grain maize 2014 and maize silage 2015) were designed, planned, conducted and evaluated. A peer-reviewed paper from this work has already been published (Nkebiwe et al., 2016 b: Chemical and Biological Technologies in Agriculture 3:15). In the greenhouse and experiments, placement of a concentrated stabilized NH4+-fertilizer depot led to improved root and shoot growth, and increased shoot N and P contents. Through intense root growth of maize around the NH4+-depot, increased root-colonization by Pseudomonas sp. DSMZ 13134 close to seeds could be observed. In the field, many weeks after subsurface placement of the concentrated stabilized NH4+-depot, it could be shown that N considerably persisted in the depot-zone as NH4+, which strongly induced depot-zone root growth. Placement of the NH4+-depot led to +7.4 % increase in grain yield of maize (2014) and +5.8% increase in maize silage yield (2015) in comparison to fertilizer broadcast. Placement of Pseudomonas sp. DSMZ 13134 inoculum in the sowing row let to +7.1% increase in yield of maize silage (2015) in comparison to the non-inoculated control.
In total, these results showed that precise placement of specific fertilizer formulations in combination with the application of selected PGPMs can lead to improved plant growth, improved N and P uptake with a potential to save resources.
Abstract (German)
In landwirtschaftlichen Böden kommt es oft vor, dass die Konzentrationen von pflanzen-verfügbarem Stickstoff (N) und Phosphor (P) für einen guten Ertrag nicht ausreichen, selbst bei hohen Konzentrationen vom Gesamt-N und -P. Im Vergleich zur üblichen breitflächigen Düngerausbringung auf der Bodenoberfläche (mit oder ohne anschließender Einarbeitung), ist die präzise Platzierung von Dünger möglichst nah an Saatgut oder Wurzel eine vielversprechende Alternative zur Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Düngemitteln. Eine gute Durchwurzelung um den Depotbereich ist allerdings eine Voraussetzung für die wirksame Platzierung von Dünger, mit dem Ziel die Nährstoffaufnahme zu verbessern und gleichzeitig günstige Bedingungen für wachstumsfördernden Bodenmikroorganismen zu schaffen.
In den letzten drei Jahrzehnten kamen zahlreiche Feldversuche zur Platzierung von Dünger im Vergleich zur breitflächige Ausbringung zu scheinbar unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich Ertrag und Nährstoffaufnahme von Kulturpflanzen. Deshalb wurde zum Beginn, mit Studien die bestimmten Voraussetzungen erfüllten, eine Meta-Analyse durchgeführt,. Dabei wurde der Effekt der gezielten Platzierung von unterschiedlichen Dünger (zB. NH4+ oder CO(NH2)2 ohne oder mit wasserlöslichem Phosphor (HPO42-; H2PO4-); wasserlöslichem Kaliumr; Stallmist oder Gülle) in einen begrenzten Bereich auf der Bodenoberfläche oder im Unterboden im Vergleich zur breitflächigen Ausbringung auf Ertrag, Nährstoffgehalt und Nährstoffaufnahme bei verschiedenen Kulturpflanzen untersucht. Insgesamt wurden Ergebnissen aus vierzig Feldversuchen verwendet, die zwischen 1982 und 2015 stattfanden (85% der Versuche ab 2000). Mit Hilfe der Methode “Baseline contrasts”, haben wir unterschiedliche Behandlungen von Düngerplatzierung mit breitflächiger Ausbringung von Dünger als Kontrolle verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass Düngerplatzierung zu +3,7 % mehr Ertrag, +3,7% höherer Nährstoffkonzentration und +11,9% höherer Nährstoffgehalte in oberirdischer Biomasse als breitflächige Ausbringung führt. Die Tiefe der Platzierung hatte auch einen deutlichen Effekt (je tiefer, desto höherer der Platzierung-Effekt), ebenso die Kombination von Nährstoffen, mit höheren Erträgen bei der Platzierung eine Düngermischung aus Harnstoff und Phosphat (+27% Ertrag) oder Ammonium und Phosphat (+15% Ertrag) als bei der breitflächigen Ausbringung (Nkebiwe et al., 2016 a: Field Crops Research 196: 389–401).
Zunächst wurde der Effekt der Platzierung von Düngern in Kombination mit der Applikation von Bio-Effektoren (Pflanzenwachstums-stimulierende Mikroorganismen und natürliche, wirkaktive Stoffen wie Huminsäure und Algenextrakte) auf das Wurzelwachstum von Kulturpflanzen, die Etablierung der mikrobiellen Inokula in der Rhizosphere, Korn- und Biomassebildung, sowie Nährstoffinhalt bei Mais (Zea mays L) und Weizen (Triticum aestivum L) untersucht. Mit Hilfe von Topf- und Wurzelkastenversuchen habe ich festgestellt, dass ein konzentriertes Düngedepot aus NH4+ stabilisiert mit DMPP (der Nitrifikationshemmer 3,4-Dimethylpyrazolphosphat) zu einer starken Durchwurzelung und Erschließung des Düngerdepots führt. Dabei war es wichtig, dass die Stickstoffform im Depot hauptsächlich als wenig mobiles NH4+ besteht, sowohl um lokalisiertes Wurzelwachstum anzuregen, als auch um günstige chemische und biologische Bedingungen für eine verbesserte Stickstoff- und Phosphataufnahme der Pflanzen zu ermöglichen. Durch in vitro Versuche auf feste und flüssige Kulturmedien konnte gezeigt werden, dass einige wachstumsfördernde Bakterien und Pilze in der Lage sind, schwerlösliches, unorganisches P durch Ansäuerung aufzulösen und dass sie Toleranz an hohen Konzentrationen von NH4+ und DMPP zeigen. Damit zeigen die wachstumsfördernde Mikroorganismen ein Potenzial den ammonium-reichen Boden um das Düngerdepot gut zu besiedeln (Nkebiwe et al., 2016 c: Manuskript in eingereicht). Durch eigene Topfversuche und vier betreute Bachelor- und Masterarbeit haben wir festgestellt, dass einige Trikalciumphosphat-lösende mikrobielle Bio-Effektoren das Rohphosphat- aneignungsvermögen von Mais und Sommerweizen verbessern wenn N als stabilisiertem Ammonium (NH4++DMPP) gedüngt ist. Dies galt besonders für bakterielle Bio-Effektoren wie Pseudomonas sp. DSMZ 13134 oder Kombi-Produkten aus Bakterien und Pilzen wie CombiFectorA. Dieser Effekt war deutlich in Substraten mit geringem Kalkgehalt bzw. mit geringer Sorptionsfähigkeit für Phosphat in Böden mit neutralem oder leicht erhöhtem pH-Werten. Mit CombiFectorA konnte die P-Aneignungsvermögen von Mais aus schwerlöslicher Klärschlammasche verbessert. Auf diese Weise konnte die Effizienz der schwerlöslichen Klärschlammasche als Recycling-Phosphatdünger erhöht werden. Die Verbesserung der Lösbarkeit von schwerlöslichem Phosphat durch Ansäuerung der Rhizosphäre und Ausscheidung von Chelaten wie auch die Verstärkung des Wurzelwachstums bei Mais und Sommerweizen waren mögliche Wirkmechanismen der erfolgreichsten mikrobiellen Bio-Effektoren (Nkebiwe et al., 2016 d: Manuskript in Vorbereitung).
Daneben wurden weitere Gewächshausversuche und zwei Feldversuche (Körnermais 2014 und Maissilage 2015) geplant, umgesetzt, ausgewertet und evaluiert. Ein peer-reviewed Paper wurde mit Ergebnissen aus diesen Versuchen publiziert (Nkebiwe et al., 2016 b: Chemical and Biological Technologies in Agriculture 3:15). Bei Gewächshausversuchen hat die Platzierung von stabilisiertem Ammoniumdepot zum verbesserten Wurzel- und Sproßwachstum und zu höheren Sproß-N und -P Gehalt geführt. Durch gute Erschließung des Ammoniumdepots mit Maiswurzeln wurde die Besiedlung des Inokulums Pseudomonas sp. DSMZ 13134 im Bereich des Düngerdepots verbessert. In den Feldversuchen konnte mehrere Wochen nach Platzierung des Düngerdepots (Ammonium+DMPP) nachgewiesen werden, dass Stickstoff hauptsächlich als NH4+ in dem Depotbereich verblieb, was zu verstärktem Wurzelwachstum im Depotbereich führte. Durch Platzierung von Ammoniumdepot konnte ein Ertrag von +7,4% für Körnermais (2014) und +5,8% für Maissilage (2015) in Vergleich zu breitflächiger Ausbringung erzielt werden. Auch durch die Platzierung von Pseudomonas sp. DSMZ 13134 unter der Saatreihe wurde +7,1% mehr Maissilage (2015) im Vergleich zur Kontrolle ohne Inokulum festgestellt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die präzise Platzierung von speziellen Düngemitteln und die Applikation von wachstumsfördernde Mikroorganismen zu verbessertem Pflanzenwachstum, verbesserter N und P Aufnahme und höherer Ertrag bei gleichzeitiger Ressourcensparung führen.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Crop Science
Examination date
2017-02-20
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English
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Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Nkebiwe2016,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6211},
author = {Nkebiwe, Peteh Mehdi},
title = {Fertilizer placement and the potential for its combination with bio-effectors to improve crop nutrient acquisition and yield},
year = {2016},
school = {Universität Hohenheim},
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