Nitrogen sequestration in paddy and non-paddy soils formed from different parent materials

Abstract

Paddy soils exhibit low nitrogen (N) use efficiency. Prior research in this field suggested that paddy soils may sequester significant amounts of N in aged amino acids, microbial residues, or even in pyrogenic N. The overarching aim of my theses was to identify these bonding forms of N sequestration in different soil types, and to elucidate to what extent the properties of the parent soil rather than anthropogenic soil management controls the different N sequestration processes. <br /> My hypothesis was that the effects of rice cultivation on N sequestration in soil depend on the mineral composition of the parent soil. My specific research questions were: (i) does paddy management lead to N sequestration in peptide bonds, (ii) do bacteria or fungi promote high microbial N sequestration in paddy soils, and (iii) to which extent can N sequestration in paddy soils be assigned to the input of charred organic matter? <br /> To answer these research questions, I sampled paddy and adjacent non-paddy top- and subsoils from different major reference soil groups (Vertisols, Andosols, Alisols, and a Gleysol/Fluvisol pair), allocated in major paddy rice production regions in Indonesia, China and Italy. I used N biomarkers like amino sugars and amino acid enantiomers to elucidate whether N sequestration in peptides and microbial residues is stronger under paddy compared with non-paddy management. Selected samples were pre-extracted with dithionite‒citrate‒bicarbonate (DCB) to better understand the role of reactive pedogenic oxides to amino acid-N storage, origin and composition. Additionally, I analyzed charred organic matter (black carbon; BC) via the analyses of benzene polycarboxylic acids and tried to identify black N forms via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in order to elucidate the contribution of pyrogenic N to total N sequestration. <br /> The results showed that total N- and amino acid-N stocks in the topsoils were significantly larger in paddy-managed Andosols and Chinese Alisols than in their non-paddy counterparts. In other soils, however, paddy management did not lead to elevated proportions of total N and amino acid-N. The N storage in peptide-bound amino acids went along with elevated contents of bacteria-derived D-alanine and D-glutamic acid, as well as with increasing stocks of DCB extractable pedogenic oxides. In order to be able to track specifically the N sequestration into the residues of bacteria and fungi, I analyzed amino sugars as respective marker compounds. Across all soils under study, the stocks of DCB extractable oxides showed a positive correlation to stocks of microbial residue (p<0.01, R²= 0.60), whereas paddy management did not continuously led to accumulation of microbial residues. Therefore, I conclude that the mineral assemblage of soils modulates the degree at which microorganisms contribute to the N sequestration under both paddy and non-paddy management, therewith supporting the overall hypothesis of my thesis that the mineral assembly drives the overall enrichment of specific N forms in soil.<br /> The traditional burning of straw on paddy fields led to an enrichment of BC. However, the proportion of pyrogenic organic N (black N, BN) in the soil was hardly or not detectable by XPS analysis, although a pre-test in the laboratory showed that after the combustion of rice straw the content of BN can rise to more than 50% of the total N. BC and BN did not show any correlation to soil properties such as clay content and pedogenic oxides. <br /> Therefore, I conclude that BN from burnt crop residues does not significantly contribute to N sequestration in rice soils. <br /> In summary, the results showed that significant amounts of N sequester in aged amino acids and microbial residues, whereas I did not find significant amounts of pyrogenic N. <br /> The N sequestration was largely determined by the mineral assemblage of the parent material and, contrary to what was assumed, was largely independent of paddy management.

<strong>Stickstofffestlegung in Böden mit und ohne Nassreisanbau aus unterschiedlichen Ausgangssubstraten</strong><br /> Böden unter Nassreisanbau weisen eine niedrige Stickstoff-(N)-Nutzungseffizienz auf. Man weiß, dass in Nassreisböden signifikante Mengen von N in gealterten Aminosäuren, mikrobiellen Rückständen oder pyrogenem N festgelegt werden können. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es, diese Formen der N Sequestrierung in verschiedenen Bodentypen zu identifizieren und zu klären, inwieweit die Eigenschaften des Ausgangssubstrates und/oder die Bodenbewirtschaftung des Nassreisanbaus die N Sequestrierung beeinflussen. <br /> Meine Hypothese war, dass die Auswirkungen des Nasseisanbaus auf die N-Sequestrierung im Boden abhängig sind von der Mineralzusammensetzung des Ausgangssubstrats. Meine spezifischen Forschungsfragen waren: (i) führt Nassreisanbau zu einer N-Sequestrierung in Peptidbindungen, (ii) tragen Bakterien oder Pilze zu einer erhöhten N-Sequestrierung in Nassreisböden bei, und (iii) inwieweit ist im Reisanbau traditionell durchgeführte Strohverbennung verantwortlich für die N-Sequestrierung in verkohlter, stabilisierter organischer Substanz? Um diese Forschungsfragen zu beantworten, habe ich Reisböden und angrenzende Ackerböden ohne Nassreisanbau aus verschiedenen Bodengruppen (Vertisole, Andosole, Alisole und ein Gleysol/Fluvisol-Paar) in Zentren der Reisproduktion (Indonesien, China und Italien) beprobt. Ich habe N-Biomarker wie Aminozucker und Aminosäure-Enantiomere verwendet, um zu klären, ob die N-Sequestrierung in Peptiden und mikrobiellen Rückständen in Reisböden stärker ist als in Nichtreisböden. Ausgewählte Proben wurden mit Dithionit-Citrat-Bicarbonat (DCB) vorextrahiert, um die Rolle reaktiver pedogener Oxide für die Sequestrierung, Herkunft und Zusammensetzung des gebundenen N in Aminosäuren (Aminosäure-N) besser zu verstehen. Zusätzlich analysierte ich pyrogenen organischen Kohlenstoff (Black Carbon; kurz BC) via Analyse von Benzolpolycarbonsäuren und versuchte, pyrogene N-Formen via Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) zu identifizieren, um den Anteil von pyrogenem N im Boden festzustellen.<br /> Die Gesamt-N- und Aminosäure-N-Gehalte unter Nassreisanbau waren nur bei Andosolen und Alisolen in China signifikant größer als bei den Vergleichsböden. In allen anderen Böden war kein Effekt von Nassreisanbau zu erkennen. Die N-Sequestrierung in peptidgebundenen Aminosäuren ging einher mit erhöhten D-Enantiomeranteilen in Alanin und Glutaminsäure (Biomarker für bakterielle N Sequestrierung) sowie mit steigenden Gehalten an DCB-extrahierbaren pedogenen Oxiden in den Böden. Um die N-Sequestrierung in Rückständen von Bakterien und Pilzen gezielter verfolgen zu können, habe ich Aminozucker als Marker für mikrobielle Rückstände analysiert. In allen untersuchten Bödentypen korrelierten die Vorräte von DCB extrahierbaren pedogenen Oxide mit den Vorräten an mikrobiellen Rückständen (p<0.01, R²= 0.60), wohingegen der Anbau von Nassreis nicht immer zur Anreicherung von mikrobiellen Rückständen führte. Daher komme ich zu dem Schluss, dass die Mineralzusammensetzung der Böden den Grad moduliert, in dem Mikroorganismen zur N-Sequestrierung sowohl unter Nassreis- als auch unter anderen Nutzungen beitragen, was die Gesamthypothese meiner These unterstützt, dass die Ausgangssubstrate die N-Sequestrierung maßgeblich mitbestimmen.<br /> Die traditionelle Strohverbrennung im Nassreisanbau führte, gegenüber den Vergleichsböden, zu einer Anreicherung von BC. Allerdings war der Anteil pyrogener organischen N (Black Nitrogen, kurz BN) im Boden mittels XPS-Analyse kaum bis nicht nachweisbar, obwohl ein Vortest im Labor ergab, dass nach der Verbrennung von Reisstroh der Gehalt an BN auf über 50% des Gesamt-N steigen kann. BC und BN zeigten auch keine Zusammenhänge zu den Bodeneigenschaften, wie z.B. Tongehalt und pedogenen Oxiden.