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Doctoral Thesis
2024
Rhizosphere manipulation to optimize fertilizer and soil phosphate availability
Rhizosphere manipulation to optimize fertilizer and soil phosphate availability
Abstract (English)
Phosphorus (P), which occurs as orthophosphate in living organisms, in soil, and in fertilizers, primarily derives from non-renewable resources. Due to open nutrient cycles, most applied P is at risk of ending up in the environment. At the same time, P fertilization in modern agricul-tural systems is inefficient. In Europe, farmers tended to apply more P than the crop’s demand because of P immobilization in soil and the resulting poor fertilizer efficiency. This has led to an accumulation of P in the soil, and environmental P pollution from leaching, soil erosion, and runoff. This work aimed to increase soil P availability and promote the use of recycled P ferti-lizers by improving the P fertilizer use efficiency. The approach compromised various strategies, which shall be evaluated based on their effectiveness in promoting plant growth and P acquisi-tion under P limitation and stimulating P turnover processes close to the rhizosphere.
The first study addressed the impact of placed starter fertilization on yield, N and P uptake as well as on nutrient use efficiency. In the last decades, numerous studies have been published, enabling us to summarize the results. Therefore, the positive effect of placed starter fertilization was evaluated by conducting a network meta-analysis. Additionally, one aim was to identify relevant environmental and management factors influencing the effectiveness under field conditions. Here, it was found that placed starter fertilization increased yield by 9.4 %. P uptake and P use efficiency benefitted significantly from a placed starter fertilization, whereas N uptake and N use efficiency were unaffected. The climate was identified as one of the most decisive environmental factors, with arid climates and hyper-humid climates showing the greatest yield advantage. Using ammonium-based fertilizers enhanced the positive effect on yield and P use efficiency.
In the second study, biostimulants, as potential enhancers of P availability in soil, were tested for their impact on P turnover in soil, and their ability to improve the fertilizer use efficiency of recycled fertilizers. To distinguish between the influence of biostimulants on soil and the plant-biostimulant interaction, an incubation and a pot trial with maize were designed. Non-microbial and microbial biostimulants were applied to the soil in combination with two recycled P fertilizers. This study revealed that biostimulants did not stimulate P turnover processes with phosphatase activity or microbial biomass P as indicators and only minorly influenced CAL-P in the incubation trial. Likewise, the biostimulants did not affect plant growth and nutrient acquisition in the pot trial. In summary, albeit being a promising strategy to improve P fertilizer utilization, biostimulants were proved again to be unreliable.
Two studies focused on integrating legumes in maize-based cropping systems to optimize the use of P stored in the rooting zone and derived from poorly available (recycled) fertilizers. Legume-based crop rotations and legume-maize intercropping systems were tested in pot trials. Key P mobilization processes as well as plant performance and P uptake were studied as indicators for the P use. Legumes consistently stimulated soil P turnover processes independent of the fertilization regime indicated by a higher phosphatase activity and higher Mn-leaf concentration which correlated with the root exudation of carboxylates. Nevertheless, maize did not benefit from integrating legumes into the cropping system. In the crop rotation, maize following a legume did not increase biomass and P offtake compared to maize after maize. With the rel-atively lower biomass production of the legume pre-crop compared to the maize pre-crop, these crop rotations could not keep up with the maize-maize rotation in terms of total biomass pro-duction and P offtake. Concerning the intercropping, maize intercropped with beans was hin-dered in growing due to the competition for limited resources. However, the total biomass pro-duction of the maize–bean intercropping system was significantly higher than the maize monoculture and could compete with the conventional maize monoculture fertilized with triple super phosphate.
In summary, this work provides a comprehensive overview and evaluation of future possibili-ties for improving P use efficiency. In combination with recycled fertilizers, intercropping legumes, and a placed starter fertilization can contribute to sustainable P management in the future.
Abstract (German)
Phosphor (P), welcher als Orthophosphat in lebenden Organismen, im Boden und im Dünger vorkommt, wird hauptsächlich aus fossilen Ressourcen gewonnen. Aufgrund offener Nährstoff-kreisläufe besteht die Gefahr, dass ein Großteil des ausgebrachten P in die Umwelt gelangt. Gleichzeitig neigten die Landwirte in Europa in der Vergangenheit dazu, mehr P auszubringen, als die Kulturpflanzen benötigten, da P im Boden immobilisiert wird und die Düngeeffizienz gering ist. Dadurch hat sich P im Boden angereichert oder ging durch Auswaschung, Bodenerosion und oberflächlichen Abfluss verloren. Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die Er-höhung der P-Verfügbarkeit im Boden zu erarbeiten und dabei die Verwendung von recycelten P-Düngern zu prüfen. Der Ansatz umfasst mehrere Strategien, die basierend auf ihrer Wirk-samkeit für die Förderung des Pflanzenwachstums und der P-Aufnahme unter P-Limitierung sowie für die Stimulierung von P-Umsetzungsprozessen nahe der Rhizosphäre bewertet wurden.
Die erste Studie befasste sich mit den Auswirkungen einer platzierten Startdüngung auf den Ertrag, die N- und P-Aufnahme sowie die Nährstoffnutzungseffizienz. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Studien veröffentlicht, die es ermöglichen, die Ergebnisse zu verallgemeinern und gemeinsame Einflussgrößen herauszufiltern. Deswegen wurde die platzierte Starterdüngung mit einer Network-Metaanalyse bewertet. Zusätzlich sollten relevante Umwelt- und Managementfaktoren identifiziert werden, die die Wirksamkeit unter Feldbedingungen be-einflussen. Eine platzierte Startdüngung konnte den Ertrag um 9,4 % steigern. Die P-Aufnahme und die P-Nutzungseffizienz profitierten signifikant von einer platzierten Starterdüngung, während die N-Aufnahme und die N-Nutzungseffizienz unbeeinflusst blieben. Das Klima wurde als einer der entscheidendsten Faktoren identifiziert, wobei im ariden und hyperhumiden Klima der größte Ertragszuwachs gefunden wurde. Die Verwendung von Düngern auf Ammonium-basis verstärkte die positiven Auswirkungen auf den Ertrag und die P-Nutzungseffizienz.
Außerdem wurden Biostimulanzien auf ihre Auswirkungen auf den P-Umsatz im Boden und ihre Fähigkeit, die Düngeeffizienz von Recycling-Düngern zu verbessern, getestet. Um den Einfluss von Biostimulanzien auf den Boden und die Wechselwirkung zwischen Pflanze und Biostimulanzien zu trennen, wurden ein Inkubations- und ein Gefäßversuch mit Mais durchgeführt. Nichtmikrobielle und mikrobielle Biostimulanzien wurden mit zwei recycelten P-Düngern kombiniert. Hier stimulierten die Biostimulanzien die P-Umsatzprozesse (Phosphataseaktivität, mikrobielle P-Biomasse) nicht und das CAL-P wurde im Inkubationsversuch nur geringfügig beeinflusst. Ebenso hatten die Biostimulanzien keine Auswirkung auf das Pflanzenwachstum und die Nährstoffaufnahme im Topfversuch. Biostimulanzien stellen, wie aus vielen anderen Studien bekannt, eine potenzielle Strategie zur Verbesserung der P-Düngerverwertung dar, erwiesen sich hier aber erneut als unzuverlässig.
Zwei weitere Studien konzentrierten sich auf die Integration von Leguminosen in maisbasierte Anbausysteme, um die Nutzung des im Boden gespeicherten und aus (recycelten) P-haltigen Düngemitteln mit niedriger Löslichkeit zu optimieren. Es wurden Leguminosen-Fruchtfolgen und Leguminosen-Mais-Mischkulturen in Topfversuchen getestet. P-Mobilisierungsprozesse, der Pflanzenwuchs und die P-Aufnahme wurden als Indikatoren für die P Nutzung untersucht. Leguminosen stimulierten durchweg die P-Umsetzungsprozesse im Boden, unabhängig vom Düngungsregime (höhere Phosphataseaktivität und höhere Mn-Blattkonzentration, die mit der Wurzelausscheidung von Carboxylaten korreliert). Dennoch profitierte der Mais nicht von der Integration der Leguminosen in die Fruchtfolge oder als Mischkultur. Aufgrund der geringeren Biomasse der Leguminosen konnten diese Fruchtfolgen in Bezug auf die Gesamtbiomasse und die P-Aufnahme nicht mit der Mais-Mais-Folge konkurrieren. In der Mischkultur wurde der Mais durch Bohnen aufgrund der Konkurrenz um begrenzte Ressourcen im Wachstum behindert. Die Gesamtbiomasse der Mais-Bohnen-Mischkultur war jedoch deutlich höher als die der Maismonokultur.
Zusammenfassend bietet diese Arbeit einen umfassenden Überblick und Einschätzung über zukünftige Möglichkeiten zur Verbesserung der P-Nutzungseffizienz. Die Mischkultur von Leguminosen und eine platzierte Startdüngung können in Kombination mit recycelten Düngemitteln einen Beitrag zu einem nachhaltigen P-Management in der Zukunft leisten.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Crop Science
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2025-04-30
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Herrmann, M. N. (2024). Rhizosphere manipulation to optimize fertilizer and soil phosphate availability. https://doi.org/10.60848/13929
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English
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630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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