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The role of potassium in alleviating detrimental effects of abiotic stresses in plants

Abstract: Plants exposed to environmental stress factors, such as drought, chilling, high light intensity, heat, and nutrient limitations, suffer from oxidative damage catalyzed by reactive oxygen species (ROS), e.g., superoxide radical (O2 -), hydrogen peroxide (H2O2) and hydroxyl radical (OH ). Reactive O2 species are known to be primarily responsible for impairment of cellular function and growth depression under stress conditions. In plants, ROS are predominantly produced during the photosynthetic electron transport and activation of membrane-bound NAD(P)H oxidases. Increasing evidence suggests that improvement of potassium (K)-nutritional status of plants can greatly lower the ROS production by reducing activity of NAD(P)H oxidases and maintaining photosynthetic electron transport. Potassium deficiency causes severe reduction in photosynthetic CO2 fixation and impairment in partitioning and utilization of photosynthates. Such disturbances result in excess of photosynthetically produced electrons and thus stimulation of ROS production by intensified transfer of electrons to O2. Recently, it was shown that there is an impressive increase in capacity of bean root cells to oxidize NADPH when exposed to K deficiency. An increase in NADPH oxidation was up to 8-fold higher in plants with low K supply than in K-sufficient plants. Accordingly, K deficiency also caused an increase in NADPH-dependent O2 - generation in root cells. The results indicate that increases in ROS production during both photosynthetic electron transport and NADPH-oxidizing enzyme reactions may be involved in membrane damage and chlorophyll degradation in K-deficient plants. In good agreement with this suggestion, increases in severity of K deficiency were associated with enhanced activity of enzymes involved in detoxification of H2O2 (ascorbate peroxidase) and utilization of H2O2 in oxidative processes (guaiacol peroxidase). Moreover, K-deficient plants are highly light-sensitive and very rapidly become chlorotic and necrotic when exposed to high light intensity. In view of the fact that ROS production by photosynthetic electron transport and NADPH oxidases is especially high when plants are exposed to environmental stress conditions, it seems reasonable to suggest that the improvement of K-nutritional status of plants might be of great importance for the survival of crop plants under environmental stress conditions, such as drought, chilling, and high light intensity. Several examples are presented here emphasizing the roles of K in alleviating adverse effects of different abiotic stress factors on crop production.

Drought and salinity: A comparison of their effects on mineral nutrition of plants

Abstract: The increasing frequency of dry periods in many regions of the world and the problems associated with salinity in irrigated areas frequently result in the consecutive occurrence of drought and salinity on cultivated land. Currently, 50% of all irrigation schemes are affected by salinity. Nutrient disturbances under both drought and salinity reduce plant growth by affecting the availability, transport, and partitioning of nutrients. However, drought and salinity can differentially affect the mineral nutrition of plants. Salinity may cause nutrient deficiencies or imbalances, due to the competition of Na+ and Cl– with nutrients such as K+, Ca2+, and NO. Drought, on the other hand, can affect nutrient uptake and impair acropetal translocation of some nutrients. Despite contradictory reports on the effects of nutrient supply on plant growth under saline or drought conditions, it is generally accepted that an increased nutrient supply will not improve plant growth when the nutrient is already present in sufficient amounts in the soil and when the drought or salt stress is severe. A better understanding of the role of mineral nutrients in plant resistance to drought and salinity will contribute to an improved fertilizer management in arid and semi-arid areas and in regions suffering from temporary drought. This paper reviews the current state of knowledge on plant nutrition under drought and salinity conditions. Specific topics include: (1) the effects of drought and salt stress on nutrient availability, uptake, transport, and accumulation in plants, (2) the interactions between nutrient supply and drought- or salt-stress response, and (3) means to increase nutrient availability under drought and salinity by breeding and molecular approaches.

Iron toxicity in rice--conditions and management concepts.

Abstract: Iron toxicity is a syndrome of disorder associated with large concentrations of reduced iron (Fe2+) in the soil solution. It only occurs in flooded soils and hence affects primarily the production of lowland rice. The appearance of iron toxicity symptoms in rice involves an excessive uptake of Fe2+ by the rice roots and its acropetal translocation into the leaves where an elevated production of toxic oxygen radicals can damage cell structural components and impair physiological processes. The typical visual symptom associated with these processes is the “bronzing” of the rice leaves and substantial associated yield losses. The circumstances of iron toxicity are quite well established. Thus, the geochemistry, soil microbial processes, and the physiological effects of Fe2+ within the plant or cell are documented in a number of reviews and book chapters. However, despite our current knowledge of the processes and mechanisms involved, iron toxicity remains an important constraint to rice production, and together with Zn deficiency, it is the most commonly observed micronutrient disorder in wetland rice. Reported yield losses in farmers' fields usually range between 15% and 30%, but can also reach the level of complete crop failure. A range of agronomic management interventions have been advocated to reduce the Fe2+ concentration in the soil or to foster the rice plants' ability to cope with excess iron in either soil or the plant. In addition, the available rice germplasm contains numerous accessions and cultivars which are reportedly tolerant to excess Fe2+. However, none of those options is universally applicable or efficient under the diverse environmental conditions where Fe toxicity is expressed. Based on the available literature, this paper categorizes iron-toxic environments, the steps involved in toxicity expression in rice, and the current knowledge of crop adaptation mechanisms in view of establishing a conceptual framework for future constraint analysis, research approaches, and the targeting of technical options. Eisentoxizitat in Reis – Bedingungen und Managementkonzepte Eisentoxizitat ist ein multiples Stresssyndrom, das mit hohen Konzentrationen reduzierten Eisens (Fe2+) in der Bodenlosung einhergeht. Da es nur in uberstauten Boden auftritt, beeintrachtigt es in erster Linie die Erzeugung von Nassreis. Das Auftreten von Eisentoxizitat setzt eine ubermasige Aufnahme von Fe2+ durch die Reiswurzel und dessen akropetalen Transport in die Blatter voraus. Dort bedingen die zweiwertigen Eisenionen die Bildung von toxischen Radikalen, die strukturelle Zellbestandteile zerstoren und physiologische Prozesse beeintrachtigen konnen. Das typischerweise damit verbundene makroskopische Symptombild ist eine Kupferfarbung der Blatter (“bronzing“). Damit verbunden sind erhebliche Ertragseinbusen. Die Bedingungen, die zum Auftreten von Eisentoxizitat fuhren, sind relativ gut untersucht. So sind zum Beispiel die Geochemie, bodenmikrobiologische Prozesse und die physiologischen Effekte von Fe2+ in Geweben und Zellen in zahlreichen Artikeln dokumentiert. Allerdings bleibt die Eisentoxizitat trotz unseres derzeitigen Wissenstandes auch weiterhin ein entscheidender Begrenzungsfaktor fur den Reisanbau in zahlreichen tropischen Gebieten und stellt neben Zinkmangel das wichtigste Mikronahrstoffungleichgewicht im uberstauten Nassreis dar. Ertragsverluste belaufen sich in der Regel auf 15–30 %, allerdings kann es bei massiver Toxizitat auch zu einem totalen Ernteausfall kommen. Diverse pflanzenbauliche Masnahmen verringern den Fe2+-Gehalt der Bodenlosung oder starken die Abwehrmechanismen von Reis gegenuber Fe2+. Ferner liegen zahlreiche Sorten und Zuchtlinien vor, die eine gewisse Toleranz gegenuber erhohten Fe-Gehalten aufweisen. Allerdings reichen offensichtlich weder die Anbaumasnahmen noch die Sortenwahl aus, um die schadigende Wirkung von Fe2+ an den unterschiedlichen eisentoxischen Standorten und Klima- und Anbausituationen zu kompensieren. Auf der Grundlage der publizierten Fachliteratur kategorisiert der vorliegende Beitrag die Bedingungen, unter denen Eisentoxizitat auftritt, die Wirkungsweise von Fe2+ und die Symptomauspragung an Nassreis sowie die derzeit bekannten agronomischen Managementoptionen und pflanzlichen Anpassungsmechanismen. Ziel dieser Ubersichtsarbeit ist die Erarbeitung eines Konzepts fur die zukunftige Problemanalyse und Schwerpunktsetzung in der Forschung sowie den zielgerichteten Einsatz von Technologien fur ein verbessertes Management von Eisentoxizitat im tropischen Nassreisanbau.

Short-term and residual availability of nitrogen after long-term application of organic fertilizers on arable land

Abstract: Knowledge on short-term and long-term availability of nitrogen (N) after application of organic fertilizers (e.g., farmyard manure, slurry, sewage sludge, composts) provides an important basis to optimize fertilizer use with benefits for the farmer and the environment. Nitrogen from many organic fertilizers often shows little effect on crop growth in the year of application, because of the slow-release characteristics of organically bound N. Furthermore, N immobilization after application can occur, leading to an enrichment of the soil N pool. However, this process finally increases the long-term efficiency of organic fertilizers. Short-term N release from organic fertilizers, measured as mineral-fertilizer equivalents (MFE), varies greatly from 0% (some composts) to nearly 100% (urine). The most important indicators to be used for predicting the short-term availability of N are total and NH + 4 -N contents, C : N ratio (especially of the decomposable organic fraction), and stability of the organic substances. Processing steps before organic fertilizers are applied in the field particularly can influence N availability. Composting reduces mineral-N content and increases the stability of the organic matter, whereas anaerobic fermentation increases NH + 4 -N content as well as the stability of organic matter, but decreases the C : N ratio remarkably, resulting in a product with a high content of directly available N. Nevertheless, long-term effects of organic fertilizers rather slowly releasing N have to be considered to enable optimization of fertilizer use. After long-term application of organic fertilizers, the overall N-use efficiency is adequate to a MFE in the range of 40%-70%.

Soil- and plant-based nitrogen-fertilizer recommendations in arable farming

Abstract: Under- as well as overfertilization with nitrogen (N) will result in economic loss for the farmer due to reduced yields and quality of the products. Also from an ecological perspective, it is important that the grower makes the correct decision on how much and when to apply N for a certain crop to minimize impacts on the environment. To aggravate the situation, N is a substance that is present in many compartments in different forms (nitrate, ammonium, organic N, etc.) in the soil-plant environment and takes part in various processes (e.g., mineralization, immobilization, leaching, denitrification, etc.). Today, many N-recommendation systems are mainly based on yield expectation. However, yields are not stable from year to year for a given field. Also the processes that determine the N supply from other sources than fertilizer are not predictable at the start of the growing season. Different methodological approaches are reviewed that have been introduced to improve N-fertilizer recommendations for arable crops. Many soil-based methods have been developed to measure soil mineral N (SMN) that is available for plants at a given sampling date. Soil sampling at the start of the growing period and analyzing for the amount of NO-N (and NH-N) is a widespread approach in Europe and North America. Based on data from field calibrations, the SMN pool is filled up with fertilizer N to a recommended amount. Depending on pre-crop, use of organic manure, or soil characteristics, the recommendation might be modified (±10–50 kg N ha–1). Another set of soil methods has been established to estimate the amount of N that is mineralized from soil organic matter, plant residues, and/or organic manure. From the huge range of methods proposed so far, simple mild extraction procedures have gained most interest, but introduction into practical recommendation schemes has been rather limited. Plant-analytical procedures cover the whole range from quantitative laboratory analysis to semiquantitative “quick” tests carried out in the field. The main idea is that the plant itself is the best indicator for the N supply from any source within the growth period. In-field methods like the nitrate plant sap/petiole test and chlorophyll measurements with hand-held devices or via remote sensing are regarded as most promising, because with these methods an adequate adjustment of the N-fertilizer application strategy within the season is feasible. Prerequisite is a fertilization strategy that is based on several N applications and not on a one-go approach. Boden- und Pflanzenanalyse zur Stickstoff-Dungebedarfsprognose in Ackerkulturen Unter- und Uberdungung mit N fuhren zu deutlichen okonomischen Verlusten fur Landwirte, da sowohl der Ertrag als auch die Qualitat der Erzeugnisse vermindert werden. Auch aus okologischer Sicht ist die richtige Entscheidung des Anbauers uber Hohe und Zeitpunkt der N-Dungung von Bedeutung, um die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie moglich zu halten. Erschwerend kommt hinzu, dass N in sehr vielen Umweltkompartimenten in verschiedenen Bindungsformen (Nitrat, Ammonium, organisch gebundener N) vorkommt und dass N in verschiedenste Umsetzungsprozesse involviert ist (Mineralisation, Immobilisation, Auswaschung, Denitrifikation). Auch heutzutage orientieren sich viele Systeme, die zur N-Dungebedarfsprognose eingesetzt werden, im Wesentlichen an der Ertragserwartung. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass weder der Ertrag als von Jahr zu Jahr stabil angesehen werden kann, noch dass die Prozesse, die das bodenburtige N-Angebot bestimmen, zu Beginn der Vegetationsperiode hinreichend gut vorausgesagt werden konnen. Daher werden im Folgenden verschiedene methodische Ansatze erlautert, die zur Verbesserung der N-Dungebedarfsprognose fur Ackerkulturen geeignet erscheinen. Viele Bodenanalyse-Methoden zielen darauf ab, den mineralischen N-Vorrat des Bodens, der an einem bestimmten Beprobungstermin als pflanzenverfugbarer N vorliegt, zu erfassen. Die Bodenprobeentnahme zu Beginn der Vegetationsperiode und die Bestimmung der Menge an Nitrat (und Ammonium) ist ein in Europa und Nord-Amerika weitverbreiteter Ansatz. Anhand der Daten aus Kalibrierversuchen kann dann abgeleitet werden, wie viel Dunger-N zum Auffullen des N-Vorrats eingesetzt werden soll. In Abhangigkeit von Vorfrucht, Einsatz von Wirtschaftsdungern oder weiteren Bodeneigenschaften kann diese Empfehlung modifiziert werden (± 10 bis 50 kg N ha–1). Weitere Bodenuntersuchungsmethoden wurden entwickelt, um die Menge des wahrend der Vegetationszeit aus der organischen Bodensubstanz, aus Ernteresten und/oder aus Wirtschaftsdungern mineralisierten N zu bestimmen. Obwohl aus der Vielzahl der vorgeschlagenen Methoden einfache “milde“ Extraktionsverfahren eine gewisse Bedeutung erlangt haben, werden diese in der Praxis bei der Ermittlung des N-Dungebedarfs als zusatzliche Information nur selten berucksichtigt. Verfahren der Pflanzenanalyse umfassen einen weiten Bereich von quantitativen Laboranalysen bis zu halbquantitativen Schnelltests, die direkt auf dem Acker eingesetzt werden konnen. Die wesentliche Idee beim Einsatz der Pflanzenanalyse ist die Vorstellung, dass die Pflanze an sich der beste Indikator ist, die N-Verfugbarkeit aus den verschiedenen Quellen gewissermasen kumulativ innerhalb der Wachstumszeit anzuzeigen. Methoden, die auf dem Acker eingesetzt werden konnen, wie z. B. der Nitrat-Pflanzensaft- (oder Blattstiel-)Test sowie die Chlorophyll-Messung mit Handgeraten oder beruhrungslose Messverfahren haben den klaren Vorteil, dass sie eine schnelle Anpassung der N-Dungestrategie wahrend der Vegetation ermoglichen. Voraussetzung dazu ist allerdings, dass die N-Dungestrategie nicht auf einer Einmal-Applikation beruht, sondern dass die N-Dungermenge auf mehrere Teilgaben verteilt wird.

Impact of organic manures with and without mineral fertilizers on soil chemical and biological properties under tropical conditions

Abstract: Soils receiving organic manures with and without chemical fertilizers for the last 7 yr with pearlmillet–wheat cropping sequence were compared for soil chemical and biological properties. The application of farmyard manure, poultry manure, and sugarcane filter cake alone or in combination with chemical fertilizers improved the soil organic C, total N, P, and K status. The increase in soil microbial-biomass C and N was observed in soils receiving organic manures only or with the combined application of organic manures and chemical fertilizers compared to soils receiving chemical fertilizers only. Basal and glucose-induced respiration, potentially mineralizable N, and arginine ammonification were higher in soils amended with organic manures with or without chemical fertilizers, indicating that more active microflora is associated with organic and integrated system using organic manures and chemical fertilizers together which is important for nutrient cycling.

Root and rhizomicrobial respiration: A review of approaches to estimate respiration by autotrophic and heterotrophic organisms in soil

Abstract: Partitioning the root-derived CO 2 efflux from soil (frequently termed rhizosphere respiration) into actual root respiration (RR, respiration by autotrophs) and rhizomicrobial respiration (RMR, respiration by heterotrophs) is crucial in determining the carbon (C) and energy balance of plants and soils. it is also essential in quantifying C sources for rhizosphere microorganisms and in estimation of the C contributing to turnover of soil organic matter (SOM), as well as in linking net ecosystem production (NEP) and net ecosystem exchange (NEE). Artificial-environment studies such as hydroponics or sterile soils yield unrealistic C-partitioning values and are unsuitable for predicting C flows under natural conditions. To date, several methods have been suggested to separate RR and RMR in nonsterile soils: 1) component integration, 2) substrate-induced respiration, 3) respiration by excised roots, 4) comparison of root-derived 14 CO 2 with rhizomicrobial 14 CO 2 after continuous labeling, 5) isotope dilution, 6) model-rhizodeposition technique, 7) modeling of 14 CO 2 efflux dynamics, 8) exudate elution, and 9) δ 13 C of CO 2 and microbial biomass. This review describes the basic principles and assumptions of these methods and compares the results obtained in the original papers and in studies designed to compare the methods. The component-integration method leads to strong disturbance and non-proportional increase of CO 2 efflux from different sources. Four of the methods (5 to 8) are based on the pulse labeling of shoots in a 14 CO 2 atmosphere and subsequent monitoring of 14 CO 2 efflux from the soil. The model-rhizodeposition technique and exudate-elution procedure strongly overestimate RR and underestimate RMR. Despite alternative assumptions, isotope dilution and modeling of 14 CO 2 -efflux dynamics yield similar results. In crops and grasses (wheat, ryegrass, barley, buckwheat, maize, meadow fescue, prairie grasses), RR amounts on average to 48±5% and RMR to 52±5% of root-derived CO 2 . The method based on the 13 C isotopic signature of CO 2 and microbial biomass is the most promising approach, especially when the plants are continuously labeled in 13 CO 2 or 14 CO 2 atmosphere. The difference methods, i.e., trenching, tree girdling, root-exclusion techniques, etc., are not suitable for separating the respiration by autotrophic and heterotrophic organisms because the difference methods neglect the importance of microbial respiration of rhizodeposits.

Digital soil mapping using artificial neural networks

Abstract: In the context of a growing demand of high-resolution spatial soil information for environmental planning and modeling, fast and accurate prediction methods are needed to provide high-quality digital soil maps. Thus, this study focuses on the development of a methodology based on artificial neural networks (ANN) that is able to spatially predict soil units. Within a test area in Rhineland-Palatinate (Germany), covering an area of about 600 km 2 , a digital soil map was predicted. Based on feed-forward ANN with the resilient backpropagation learning algorithm, the optimal network topology was determined with one hidden layer and 15 to 30 cells depending on the soil unit to be predicted. To describe the occurrence of a soil unit and to train the ANN, 69 different terrain attributes, 53 geologic-petrographic units, and 3 types of land use were extracted from existing maps and databases. 80% of the predicted soil units (n = 33) showed training errors (mean square error) of the ANN below 0.1, 43% were even below 0.05. Validation returned a mean accuracy of over 92% for the trained network outputs. Altogether, the presented methodology based on ANN and an extended digital terrain-analysis approach is time-saving and cost effective and provides remarkable results.

Chernozem-soil of the year 2005.

Abstract: The proclamation of the “Soil of the Year” was made for the first time in Germany in 2005 on occasion of the World Soil Day. Chernozems were selected for this purpose. In this paper an overview of these groups of soils is given. Chernozems are concentrated in the drought region of Central Germany. A standard profile from the core area of Chernozems developed from loess is presented with comprehensive laboratory analysis. Chernozems developed primarily upon carbonatic loess substrates under summer-dry climatic conditions in an open park-like landscape with isolated forest stands. The development of Chernozems began as early as the late glacial period, and they were fully developed by the Atlantikum age. The far-reaching, uniformly thick humus horizons indicate substrate differences in the loess cover, which are partly the result of bioturbation. Within Germany, Chernozems and Chernozem-like soils make up approx. 3% of the surface area and 5% (approx. 11,000 km2) of the arable land. The results of the Static Fertilization Experiment in Bad Lauchstadt, founded in 1902, clarify the high value of Chernozem for biomass production and the environment. Each loss due to erosion or decrease in surface area reduces the fulfillment of soil ecological functions of the soils and is comparable to a loss of animal and plant species. Therefore, soil scientists and the results of soil research must be more comprehensively implemented for soil preservation, protection, and politics. For acceptance of these goals among the general public and the political-decision makers, the campaign “Soil of the Year” should give some thought-provoking impulses. Schwarzerde – Boden des Jahres 2005 Anlasslich des Weltbodentages wurde in Deutschland fur 2005 mit der Schwarzerde erstmalig ein „Boden des Jahres” proklamiert. Damit soll in der Bevolkerung und bei politischen Entscheidungstragern ein starkeres Bewusstsein fur den Boden und ein hoheres Engagement fur den Bodenschutz angeregt werden. Im Beitrag wird ein Uberblick uber diese Bodengruppe gegeben und ein Standardprofil aus dem Kerngebiet der Schwarzerden aus Loss (Mitteldeutsches Trockengebiet) mit umfassenden Laboranalysen exemplarisch prasentiert. Schwarzerden entwickelten sich vorwiegend auf kalkreichen Lossen unter sommertrockenen Klimabedingungen in einer offenen parkahnlichen Landschaft mit Waldinseln. Die Entstehung der Schwarzerden setzte bereits im Spatglazial ein, und im Atlantikum waren sie voll entwickelt. Die weitraumig gleiche Machtigkeit der Humushorizonte zeichnet primare Substratunterschiede in der Lossdecke nach; sie sind nicht nur das Ergebnis einer Bioturbation. In Deutschland nehmen die Schwarzerden und schwarzerdeahnlichen Boden etwa 3 % der Bodenflache bzw. 5 % (ca. 11.000 km2) der landwirtschaftlichen Nutzflache ein. Die Ergebnisse des seit 1902 bestehenden Statischen Dungungsversuchs Bad Lauchstadt verdeutlichen den hohen Wert der Schwarzerden fur Biomasseproduktion und Umwelt. Jeder Verlust durch Erosion oder Flachenentzug mindert die Erfullung okologischer Funktionen der Boden und ist dem Artenverlust von Tieren und Pflanzen gleichzustellen. In der Bodenpolitik mussen deshalb die Ergebnisse der Bodenforschung zum Erhalt und Schutz unserer Boden umfassender als bisher umgesetzt und Bodenwissenschaftler starker in politische Entscheidungen eingebunden werden. Fur die Akzeptanz und Umsetzung dieser Ziele in der Offentlichkeit soll der „Boden des Jahres” Impulse geben.

Compound-specific stable-isotope (δ13C) analysis in soil science

Abstract: This review provides current state of the art of compound-specific stable-isotope-ratio mass spectrometry (δ 13 C) and gives an overview on innovative applications in soil science. After a short introduction on the background of stable C isotopes and their ecological significance, different techniques for compound-specific stable-isotope analysis are compared. Analogous to the δ 13 C analysis in bulk samples, by means of elemental analyzer-isotope-ratio mass spectrometry, physical fractions such as particle-size fractions, soil microbial biomass, and water-soluble organic C can be analyzed. The main focus of this review is, however, to discuss the isotope composition of chemical fractions (so-called molecular markers) indicating plant- (pentoses, long-chain n-alkanes, lignin phenols) and microbial-derived residues (phospholipid fatty acids, hexoses, amino sugars, and short-chain n-alkanes) as well as other interesting soil constituents such as black carbon and polycyclic aromatic hydrocarbons. For this purpose, innovative techniques such as pyrolysis-gas chromatography-combustion-isotope-ratio mass spectrometry, gas chromatography-combustion-isotope-ratio mass spectrometry, or liquid chromatography-combustion-isotope-ratio mass spectrometry were compared. These techniques can be used in general for two purposes, (1) to quantify sequestration and turnover of specific organic compounds in the environment and (2) to trace the origin of organic substances. Turnover times of physical (sand < silt < clay) and chemical fractions (lignin < phospholipid fatty acids < amino sugars sugars) are generally shorter compared to bulk soil and increase in the order given in brackets. Tracing the origin of organic compounds such as polycyclic aromatic hydrocarbons is difficult when more than two sources are involved and isotope difference of different sources is small. Therefore, this application is preferentially used when natural (e.g., C3-to-C4 plant conversion) or artificial (positive or negative) 13 C labeling is used.

Zinc alleviates growth inhibition and oxidative stress caused by cadmium in rice

Abstract: A hydroponic experiment with two rice cultivars differing in cadmium (Cd) tolerance was conducted to investigate the alleviating effect of zinc (Zn) on growth inhibition and oxidative stress caused by Cd. Treatments consisted of all combinations of two Zn concentrations (0.2 and 1 μM), three Cd concentrations (0, 1, and 5 μM), and two rice cultivars (Bing 97252, Cd-tolerant; Xiushui 63, Cd-sensitive). Cd toxicity caused a dramatic reduction in plant height and biomass, chlorophyll concentration and photosynthetic rate, and an increase in Cd concentration in both roots and shoots, malondialdehyde (MDA) concentration, and superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activities in shoots. The response of all these parameters was much larger for Xiushui 63 than for Bing 97252. Addition of Zn to the medium solution alleviated Cd toxicity, which was reflected in a significant increase in plant height, biomass, chlorophyll concentration, and photosynthetic rate, and a marked decrease in MDA concentration and activity of anti-oxidative enzymes. However, it was noted that Zn increased shoot Cd concentration at higher Cd supply, probably due to the enhancement of Cd translocation from roots to shoots. Therefore, further studies are necessary to determine the effect of Zn supply on Cd translocation from vegetative organs to grains or grain Cd accumulation before Zn fertilizer is applied to Cd-contaminated soils to alleviate Cd toxicity in rice.

Plant‐growth‐promoting rhizobacteria isolated from a Calcisol in a semi‐arid region of Uzbekistan: biochemical characterization and effectiveness

Abstract: Bacteria were isolated from the rhizosphere of cotton, wheat, alfalfa, and tomato grown in field locations within a semi-arid region of Uzbekistan. Strains were identified as Pseudomonas denitrificans, P. rathonis, Bacillus laevolacticus, Bacillus amyloliquefaciens, and Arthrobacter simplex. The isolated strains produced different enzymes, phytohormone auxin and were antagonists against specific plant-pathogenic fungi. Most of the strains are tolerant with respect to salt and temperature. All of the bacterial strains isolated in this study have been found to increase plant growth of wheat and maize in pot experiments.

Plant responses to drought and phosphorus deficiency: contribution of phytohormones in root‐related processes

Abstract: Environmental stresses are one of the most limiting factors in agricultural productivity. A large portion of the annual crop yield is lost to pathogens (biotic stress) or the detrimental effects of abiotic-stress conditions. There are numerous reports about chemical characterization of quantitatively significant substrate fluxes in plant responses to stress factors in the root-rhizosphere system, e.g., nutrient mobilization, heavy-metal and aluminum immobilization, or establishment of plant-growth-promoting rhizobacteria (PGPR) by exudation of organic anions, phytosiderophores, or carbohydrates into the soil, respectively. The hormonal regulation of these responses is not well understood. This paper highlights this complex process, stressing the involvement of phytohormones in plant responses to drought and phosphorus deficiency as examples. Beside ethylene, abscisic acid (ABA) plays an important role in drought-stress adaptation of plants. This hormone causes morphological and chemical changes in plants, ensuring plant survival under water-limited conditions. For example, ABA induces stomata closure, reduction in leaf surface, and increase in root : shoot ratio and, thus, reduction in transpiration and increase in soil volume for water uptake. Furthermore, it supports water uptake in soil with decreasing water potential by osmotic adjustment. Suitability of hormonal parameters in the selection for improving stress resistance is discussed. Auxins, ethylene, and cytokinins are involved in morphological adaption processes to phosphorus (P) deficiency (increase in root surface, e.g., by the formation of more dense root hairs or cluster roots). Furthermore, indole-3-acetic acid increases root exudation for direct and indirect phosphorus mobilization in soil. Nevertheless, the direct use of the trait “hormone content” of a particular plant organ or tissue, for example the use of the drought-stress-induced ABA content of detached leaves in plant breeding for drought-stress-resistant crops, seems to be questionable, because this procedure does not consider the systemic principle of hormonal regulation in plants. Reaktionen von Pflanzen auf Trockenstress und Phosphormangel: Die Rolle von Phytohormonen in wurzelbezogenen Prozessen Umweltstress stellt den wesentlichsten Limitierungsfaktor fur die landwirtschaftliche Produktion dar. Ein erheblicher Teil der jahrlichen Ernten geht durch pathogene Organismen (biotischer Stress) oder durch die verheerende Wirkung abiotischer Stressoren verloren (v. a. Trockenstress und Nahrstoffmangel). Es gibt zahlreiche Untersuchungen zur stofflichen Charakterisierung der pflanzlichen Stressreaktion an der Wurzel, z. B. Nahrstoffmobilisierung, Schadstoffimmobilisierung oder Etablierung von wachstumsfordernden Rhizobakterien durch Wurzelabscheidungen. Die hormonelle Steuerung dieser Prozesse ist bisher weniger erforscht. Der Artikel geht dieser Problematik am Beispiel von Trockenstress und Phosphormangel unter besonderer Berucksichtigung von Phytohormonen nach. Bei der Anpassung von Pflanzen an Wassermangelbedingungen spielt neben Ethylen das Phytohormon Abscisinsaure (ABA) eine wichtige Rolle. Es induziert morphologische und chemische Veranderungen in der Pflanze, die ein Uberleben unter Wassermangelbedingungen ermoglichen. Beispielsweise induziert die ABA den Stomataschluss, eine Verringerung der Blattoberflache sowie eine Erhohung des Wurzel:Spross-Verhaltnisses und bewirkt dadurch eine verringerte Transpiration und Vergroserung des Bodenvolumens zur Erschliesung von Wasservorraten. Daruber hinaus kann eine ABA-induzierte Anreicherung von osmotisch wirksamen Verbindungen zur Wasseraufnahme bei sinkendem Wasserpotential im Boden beitragen. Bei Phosphat (P)-Mangel sind vor allem Auxine, Cytokine und Ethylen an der morphologischen Anpassung der Wurzeln (Vergroserung der Wurzeloberflache durch verstarkte Bildung von Wurzelhaaren oder Proteoidwurzeln) beteiligt. Daruber hinaus bewirkt Indolyl-3-Essigaure eine Intensivierung der Abgabe von Wurzelabscheidungen zur direkten oder indirekten P-Mobilisierung in der Rhizosphare. Trotzdem wird die unmittelbare Verwendung des Indikators “Hormongehalt“ eines bestimmten Pflanzenorganes, beispielsweise der trockenstressinduzierte ABA-Gehalt von abgeschnittenen Blattern, fur die Zuchtung auf Stressresistenz als problematisch angesehen, da sie das systemische Prinzip der Hormonregulation nicht berucksichtigt.

A quick and efficient screen for resistance to iron toxicity in lowland rice

Abstract: Iron (Fe) toxicity is a major stress to rice in many lowland environments worldwide. Due to excessive uptake of Fe2+ by the roots and its acropetal translocation into the leaves, toxic oxygen radicals may form and damage cell structural components, thus impairing physiological processes. The typical visual symptom is the “bronzing” of the rice leaves, leading to substantial yield losses, particularly when toxicity occurs during early vegetative growth stages. The problem is best addressed through genotype improvement, i.e., tolerant cultivars. However, the time of occurrence and the severity of symptoms and yield responses vary widely among soil types, years, seasons, and genotypes. Cultivars resistant in one system may fail when transferred to another. Better targeting of varietal improvement requires selection tools improving our understanding of the resistance mechanisms and strategies of rice in the presence of excess iron. A phytotron study was conducted to develop a screen for seedling resistance to Fe toxicity based on individual plants subjected to varying levels of Fe (0–3000 mg L–1 Fe supplied as Fe(II)SO4), stress duration (1–5 d of exposure), vapor-pressure deficit (VPD; 1.1 and 1.8 kPa), and seedling age (14 and 28 d). Genotypes were evaluated based on leaf-bronzing score and tissue Fe concentrations. A clear segregation of the genotypic tolerance spectrum was obtained when scoring 28 d old seedlings after 3 d of exposure to 2000 mg L–1 Fe in a high-VPD environment. In most cases, leaf-bronzing scores were highly correlated with tissue Fe concentration (visual differentiation in includer and excluder types). The combination of these two parameters also identified genotypes tolerating high levels of Fe in the tissue while showing only few leaf symptoms (tolerant includers). The screen allows selecting genotypes with low leaf-bronzing score as resistant to Fe toxicity, and additional analyses of the tissue Fe concentration of those can identify the general adaptation strategy to be utilized in breeding programs. Eine schnelle und effiziente Methode zur Evaluierung von Eisentoxizitatsresistenz bei Nassreis Eisen(Fe)-Toxizitat ist weltweit einer der wichtigsten abiotischen Stressfaktoren in Nassreisproduktionssystemen. Bei ubermasiger Aufnahme von Fe2+ durch die Wurzel und seine akropetale Verlagerung in die Blatter kommt es zur Bildung toxischer Sauerstoffradikale, die vor allem Zellmembranen schadigen und so physiologische Prozesse storen. Das typische sichtbare Symptom dieser Schadigungen ist das so genannte „leaf bronzing”, welches substanzielle Ertragseinbusen zur Folge hat, besonders, wenn Eisentoxizitat in der fruhen vegetativen Wachstumsphase auftritt. Die beste Strategie mit diesem Problem umzugehen, ist die Nutzung verbesserter, toleranter Genotypen. Allerdings interagieren Zeitpunkt des Auftretens und Intensitat des Stresses sowie Auswirkungen auf den Ertrag stark mit Bodentyp, Jahr und Saison sowie Genotyp. Sorten, die in der einen Umwelt tolerant erscheinen, konnen in einer anderen versagen. Eine zielgerichtete Sortenanpassung benotigt Auswahlkriterien, die unser Verstandnis der Resistenzmechanismen verbessern. Zur Entwicklung einer Methode zur Selektion widerstandsfahiger Reissetzlinge wurde eine Studie im Phytotron durchgefuhrt, bei der Einzelpflanzen unterschiedlichen Alters (14 und 28 Tage nach Aussaat) unterschiedlichen Fe-Angeboten (0–3000 mg L–1 Fe als Fe(II)SO4), Stressperioden (1–5 Tage) und atmospharischen Dampfdruckdefiziten (VPD: 1,1 and 1,8 kPa) ausgesetzt wurden. Die Genotypen wurden nach „leaf-bronzing score” und Fe-Gehalt im Gewebe bewertet. Eine klare Aufspaltung in das Toleranzspektrum der Genotypen wurde mit 28 Tage alten Setzlingen erreicht, die fur 3 Tage bei hohem VPD 3000 mg L–1 Fe ausgesetzt waren. In den meisten Fallen war der Fe-Gehalt des Gewebes mit dem „leaf-bronzing score” signifikant positiv korreliert, wodurch eine visuelle Differenzierung zwischen „includer”- und „excluder”-Sorten erreicht wurde. Die Kombination dieser beiden Parameter ermoglichte es zudem, auch solche Genotypen zu erkennen, die bei hohen Fe-Gehalten im Gewebe kaum Blattsymptome zeigten (tolerante „includer”). Die hier vorgestellte Selektionsmethode ermoglicht es, Genotypen mit niedrigem „leaf-bronzing score” zu selektieren und im Anschluss durch Bestimmung der Fe-Gehalte im Gewebe deren Adaptationsstrategie zu erkennen und zu nutzen.

Effects of nitrate‐, ammonium‐, and organic‐nitrogen‐based fertilizers on growth and yield of tomatoes

Abstract: Mineral and organic fertilizers contain different forms and amounts of nitrogen (N), which can affect yield and product quality. The aim of this study was to determine appropriate amounts of N applied as nitrate (NO), ammonium (NH), and organic N (a mixture based on chicken manure) for optimal growth and quality of tomatoes. A pot experiment with sand as substrate was established in a greenhouse with six-week-old tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill. cv. “Armada”). Nitrogen was applied in nutrient solutions at different NO : NH ratios combined with different chloride levels (NO-dominated, NO = NH at low Cl–, NO = NH at high Cl–, and NH-dominated, respectively) or as organic N at four N-application rates (250, 500, 750, 1000 mg N plant–1 week–1). No significant differences in shoot biomass and yields of red tomatoes were observed between NO- or NH-fed plants. Nitrogen rates above 750 mg N plant–1 week–1 did not significantly increase marketable fruit yield, but enhanced shoot-biomass production. The NH-N-dominated treatments (which also had high Cl– concentrations) showed increasing incidence of blossom-end-rot (BER)-infected fruits. In the organic-N treatments, shoot-biomass production and yields were lower than in the inorganic-N treatments, but fruit quality was good with few BER-infected fruits. The results show that with a total N supply below 750 mg N plant–1 week–1, NH can be used as equivalent N source to NO, resulting in equivalent yields of marketable fruit under the conditions in this experiment. Einfluss von Nitrat, Ammonium und organischem Stickstoff auf Wachstum und Ertrag von Tomaten Mineralische und organische Dunger enthalten verschiedene Formen von und Mengen an Stickstoff (N), welche den Ernteertrag und die Produktqualitat beeinflussen konnen. Das Ziel dieser Arbeit war es, geeignete N-Mengen – appliziert als Nitrat, Ammonium oder organischer Stickstoff – fur optimales Wachstum und Qualitat von Tomaten zu bestimmen. Dazu wurde mit sechs Wochen alten Tomatenpflanzen (Lycopersicon esculentum Mill. cv. “Armada“) unter Gewachshausbedingungen mit Sand als Substrat ein Gefasversuch angelegt. Die Applikation von N erfolgte in Form von Nahrlosungen mit verschiedenen NO:NH-Verhaltnissen, kombiniert mit unterschiedlichen Chlorid (Cl)-Konzentrationen (NO-dominiert, NO = NH bei niedrigem Cl–, NO = NH bei hohem Cl– und NH-dominiert) bzw. als organischer N. Jede dieser Behandlungen wurde mit vier verschiedenen N-Mengen angelegt (250, 500, 750, 1000 mg N Pflanze–1 Woche–1). Zwischen den mit Nitrat und Ammonium gedungten Pflanzen konnte kein signifikanter Unterschied in Sprosswachstum und Ertrag an erntereifen Tomaten festgestellt werden. Stickstoffmengen uber 750 mg N Pflanze–1 Woche–1 steigerten den Ertrag verkaufsfahiger Tomaten nicht signifikant, obwohl die Produktion an Sprossbiomasse noch anstieg. In den NH-dominiert gedungten Gefasen mit gleichzeitig hohen Cl-Konzentrationen in den Nahrlosungen wurden haufiger Tomaten mit Blutenendfaule beobachtet. In den Behandlungen mit organischem Stickstoff waren die Sprossbiomasseproduktion und der Ertrag geringer als in den mineralisch gedungten Behandlungen, aber die Qualitat der Fruchte war gut, mit nur wenigen durch Blutenendfaule geschadigten Tomaten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Stickstoffversorgung unter 750 mg N Pflanze–1 Woche–1 Ammonium anstelle von Nitrat verwendet werden kann. Im vorliegenden Versuch wurden unter diesen Bedingungen vergleichbare Ertrage verkaufsfahiger Fruchte erzielt.

Development of a quick on-farm test to determine nitrate levels in soil

Abstract: Crop management can be optimized and nitrogen (N) losses can be reduced with a better knowledge of soil-nitrogen availability, especially if this information becomes directly available on-site in a fast and cost-effective way. In this paper, simple on-farm methods to determine nitrate-N in field-moist soil samples immediately after sampling are described. The procedures include volumetric soil sampling, extraction based on manual shaking with tap water as universally available extractant, filtering soil/extractant mixtures on-site, on-site determination of the soil water content, and reflectometric nitrate measurements based on test strips. Using correction factors can compensate the impact of the temperature during the final nitrate measurement. An excellent agreement was found between the developed quick-test procedures and the standard laboratory procedure. The proposed quick-test has great potential to enable economical savings for farmers as well as benefiting the environment. Entwicklung eines Schnelltestes zur Bestimmung des Nitratgehaltes in feldfeuchten Boden vor Ort Eine bessere Kenntnis der Stickstoff (N)-Verfugbarkeit des Bodens tragt zu Verbesserungen in der Bewirtschaftung und zu reduzierten Stickstoffverlusten bei, insbesondere wenn diese Information unmittelbar vor Ort rasch und billig zur Verfugung steht. Einfache Schnellmethoden zur direkten Bestimmung von Nitrat in feldfeuchten Bodenproben unmittelbar nach der Entnahme vor Ort werden beschrieben. Die vereinfachte Prozedur ermoglicht es, volumenbezogene Bodenproben zu entnehmen und die Lagerungsdichte des Bodens verlasslich zu bestimmen. Als universal erhaltliches Extraktionsmittel kann Leitungswasser eingesetzt werden. Minimale Schuttelzeiten fur die Extraktion wurden bestimmt. Die Nitrat-Messungen werden danach im klaren Uberstand der Losung oder nach einer stark vereinfachten Filterprozedur reflektometrisch mit nitratsensitiven Teststabchen durchgefuhrt. Der Bodenwassergehalt kann unmittelbar vor Ort vereinfacht bestimmt werden. Die Temperaturabhangigkeit der Nitrat-Bestimmung kann durch die Nutzung von Korrekturfaktoren kompensiert werden. Die vorgeschlagenen Schnelltestmethoden zeigten eine sehr gute Ubereinstimmung mit Standardbestimmungen im Labor. Die Methoden sind anwenderfreundlich und konnen zu okonomischen Einsparungen bei den Landwirten fuhren sowie einen Beitrag zur Entlastung der Umwelt leisten.

Growth, phosphorus uptake, and rhizosphere microbial-community composition of a phosphorus-efficient wheat cultivar in soils differing in pH

Abstract: In a pot experiment, the P-efficient wheat (Triticum aestivum L.) cultivar Goldmark was grown in ten soils from South Australia covering a wide range of pH (four acidic, two neutral, and four alkaline soils) with low to moderate P availability. Phosphorus (100 mg P kg -1 ) was supplied as FePO 4 to acidic soils, CaHPO 4 to alkaline, and 1:1 mixture of FePO 4 and CaHPO 4 to neutral soils. Phosphorus uptake was correlated with P availability measured by anion-exchange resin and microbial biomass P in the rhizosphere. Growth and P uptake were best in the neutral soils, lower in the acidic, and poorest in the alkaline soils. The good growth in the neutral soils could be explained by a combination of extensive soil exploitation by the roots and high phosphatase activity in the rhizosphere, indicating microbial facilitation of organic-P mineralization. The plant effect (soil exploitation by roots) appeared to dominate in the acidic soils. Alkaline phosphatase and diesterase activities in acidic soils were lower than in neutral soils, but strongly increased in the rhizosphere compared with the bulk soil, suggesting that microorganisms contribute to P uptake in these acidic soils. Shoot and root growth and P uptake per unit root length were lowest in the alkaline soils. Despite high alkaline phosphatase and diesterase activities in the alkaline soils, microbial biomass P was low, suggesting that the enzymes could not mineralize sufficient organic P to meet the demands of plants and microorganisms. Microbial-community composition, assessed by fatty acid methylester (FAME) analysis, was strongly dependent on soil pH, whereas other soil properties (organic-C or CaCO 3 content) were less important or not important at all (soil texture).

Crop nitrogen recovery and soil nitrogen dynamics in a 10-year field experiment with biowaste compost

Abstract: When fertilizing with compost, the fate of the nitrogen applied via compost (mineralization, plant uptake, leaching, soil accumulation) is relevant both from a plant-production and an environmental point of view. In a 10-year crop-rotation field experiment with biowaste-compost application rates of 9, 16, and 23 t ha–1 y–1 (f. m.), the N recovery by crops was 7%, 4%, and 3% of the total N applied via compost. Due to the high inherent fertility of the site, N recovery from mineral fertilizer was also low. In the minerally fertilized treatments, which received 25, 40, and 56 kg N ha–1 y–1 on average, N recovery from mineral fertilizer was 15%, 13%, and 11%, respectively. Although total N loads in the compost treatments were much higher than the N loads applied with mineral fertilizer (89–225 kg Ntot ha–1 y–1vs. 25–56 kg Ntot ha–1 y–1; both on a 10-year mean) and the N recovery was lower than in the treatments receiving mineral N fertilizer, soil NO-N contents measured three times a year (spring, post-harvest, autumn) showed no higher increase through compost fertilization than through mineral fertilization at the rates applied in the experiment. Soil contents of Norg and Corg in the plowed layer (0–30 cm depth) increased significantly with compost fertilization, while with mineral fertilization, Norg contents were not significantly higher. Taking into account the decrease in soil Norg contents in the unfertilized control during the 10 years of the experiment, 16 t compost (f. m.) ha–1 y–1 just sufficed to keep the Norg content of the soil at the initial level. Stickstoffausnutzung durch die Pflanzen sowie Nitrat-N, organischer Stickstoff und Kohlenstoff im Boden in einem 10-jahrigen Feldversuch mit Biotonnekompost Der Verbleib des bei Kompostdungung mit dem Kompost aufgebrachten Stickstoffs (Mineralisierung, Pflanzenaufnahme, Auswaschung, Speicherung im Boden) ist sowohl aus pflanzenbaulicher Sicht als auch fur den Umweltschutz relevant. In einem 10-jahrigen Fruchtfolgeversuch mit Kompostdungung in Mengen von durchschnittlich 9, 16 und 23 t ha–1 a–1 betrug die N-Ausnutzung durch die Feldfruchte 7, 4 und 3 % des mit dem Kompost aufgebrachten Gesamt-N. Aufgrund der hohen naturlichen Fruchtbarkeit des Standortes war die N-Ausnutzung aus Mineraldunger ebenfalls niedrig. In den mineralisch gedungten Vergleichsvarianten, die im Durchschnitt 25, 40 bzw. 56 kg N ha–1 a–1 erhielten, betrug die N-Ausnutzung aus dem Mineraldunger 15, 13 und 11 %. Obwohl die aufgebrachte Gesamt-N-Fracht in den Kompostvarianten viel hoher war als in den mineralisch gedungten Varianten (89–225 kg Ntot ha–1 a–1 gegenuber 25–56 kg Ntot ha–1 a–1) und die N-Ausnutzung in den Kompostvarianten niedriger war als in den mineralisch gedungten Varianten, waren die Bodennitratgehalte (gemessen dreimal jahrlich, im Fruhjahr, nach der Ernte und im Herbst) mit Kompostdungung nicht hoher als mit mineralischer N-Dungung in den angewendeten Mengen. Die Norg- und Corg-Gehalte in 0–30 cm Bodentiefe nahmen mit Kompostdungung signifikant zu, nicht jedoch mit mineralischer Dungung. Berucksichtigt man die Abnahme des Norg-Gehaltes in der Nullvariante wahrend der Versuchslaufzeit, so reichten 16 t Kompost ha–1 a–1 gerade aus, um den Norg-Gehalt des Bodens auf dem Ausgangsniveau zu erhalten.

Proton toxicity interferes with the screening of common bean (Phaseolus vulgaris L.) genotypes for aluminium resistance in nutrient solution

Abstract: Common bean (Phaseolus vulgaris L.) proved to be very sensitive of low pH (4.3), with large genotypic differences in proton sensitivity. Therefore, proton toxicity did not allow the screening of common bean genotypes for aluminium (Al) resistance using the established protocol for maize (0.5 mM CaCl2, 8 μM H3BO3, pH 4.3). Increasing the pH to 4.5, the Ca2+ concentration to 5 mM, and addition of 0.5 mM KCl fully prevented proton toxicity in 28 tested genotypes and allowed to identify differences in Al resistance using the inhibition of root elongation by 20 μM Al supply for 36 h as parameter of Al injury. As in maize, Al treatment induced callose formation in root apices of common bean. Aluminium-induced callose formation well reflected the effect of Ca supply on Al sensitivity as revealed by root-growth inhibition. Aluminum-induced callose formation in root apices of 28 bean genotypes differing in Al resistance after 36 h Al treatment was positively correlated to Al-induced inhibition of root elongation and Al contents in the root apices. However, the relationship was less close than previously reported for maize. Also, after 12 h Al treatment, callose formation and Al contents in root apices did not reflect differences in Al resistance between two contrasting genotypes, indicating a different mode of the expression of Al toxicity and regulation of Al resistance in common bean than in maize. Protonen-Toxizitat beeinflusst das Screening von Buschbohnen (Phaseolus vulgaris L.)-Genotypen auf Aluminium-Resistenz in Hydrokultur Buschbohnen (Phaseolus vulgaris L.) sind sehr empfindlich gegenuber niedrigen pH-Werten (4,3), wobei jedoch grose genotypische Unterschiede bestehen. Daher war ein Screening von Buschbohne unter den fur Mais etablierten Versuchsbedingungen (0,5 mM CaCl2, 8 μM H3BO3, pH 4,3) bislang nicht moglich. Eine Erhohung des pH-Wertes auf 4,5, der Ca2+ Konzentration auf 5 mM sowie die Zugabe von 0,5 mM KCl verhinderte Protonentoxizitat bei allen 28 untersuchten Genotypen und erlaubte die Identifikation von grosen Unterschieden in der Al-Resistenz, wenn die durch 20 μM Al induzierte Hemmung des Wurzellangenwachstums als Mas fur die Al-Schadigung herangezogen wurde. Wie bei Mais induzierte eine Al-Behandlung die Bildung von Kallose in den Wurzelspitzen auch bei Buschbohne. Diese Induktion der Kallose-Synthese spiegelte die Melioration der durch Al induzierten Hemmung des Wurzellangenwachstum durch erhohtes Ca-Angebot gut wider. Der Vergleich von 28 Buschbohnen-Genotypen hinsichtlich ihrer Al-Resistenz ergab positive Korrelationen zwischen der Al-induzierten Kallose-Bildung, der Hemmung des Wurzelwachstums und den Al-Gehalten in den Wurzelspitzen. Aber die Beziehungen waren deutlich weniger eng als fur Mais berichtet. Bei kurzfristigem Al-Angebot (12 h) spiegelten die Kallose- und Al-Gehalte von Wurzelspitzen die Unterschiede in zwei sehr unterschiedlich Al-resistenten Genotypen nicht wider. Wir schliesen daraus, dass Al-Toxizitat und Al-Resistenz bei Buschbohne anders als bei Mais reguliert sind.

Dissolved organic carbon and nitrogen in precipitation, throughfall, soil solution, and stream water of the tropical highlands in northern Thailand

Abstract: Dissolved organic matter (DOM) is important for the cycling and transport of carbon (C) and nitrogen (N) in soil In temperate forest soils, dissolved organic N (DON) partly escapes mineralization and is mobile, promoting loss of N via leaching Little information is available comparing DOC and DON dynamics under tropical conditions Here, mineralization is more rapid, and the demand of the vegetation for nutrients is larger, thus, leaching of DON could be small We studied concentrations of DOC and DON during the rainy seasons 1998–2001 in precipitation, canopy throughfall, pore water in the mineral soil at 5, 15, 30, and 80 cm depth, and stream water under different land-use systems representative of the highlands of northern Thailand In addition, we determined the distribution of organic C (OC) and N (ON) between two operationally defined fractions of DOM Samples were collected in small water catchments including a cultivated cabbage field, a pine plantation, a secondary forest, and a primary forest The mean concentrations of DOC and DON in bulk precipitation were 17 ± 02 and 02 ± 01 mg L–1, respectively, dominated by the hydrophilic fraction The throughfall of the three forest sites became enriched up to three times in DOC in the hydrophobic fraction, but not in DON Maximum concentrations of DOC and DON (79–139 mg C L–1 and 09–12 mg N L–1, respectively) were found in samples from lysimeters at 5 cm soil depth Hydrophobic OC and hydrophilic ON compounds were released from the O layer and the upper mineral soil Concentrations of OC and ON in mineral-soil solutions under the cabbage cultivation were elevated when compared with those under the forests Similar to most temperate soils, the concentrations in the soil solution decreased with soil depth The reduction of OC with depth was mainly due to the decrease of hydrophobic compounds The changes in OC indicated the release of hydrophobic compounds poor in N in the forest canopy and the organic layers These substances were removed from solution during passage through the mineral soil In contrast, organic N related more to labile microbial-derived hydrophilic compounds At least at the cabbage-cultivation site, mineralization seemed to contribute largely to the decrease of DOC and DON with depth, possibly because of increased microbial activity stimulated by the inorganic-N fertilization Similar concentrations and compositions of OC and ON in subsoils and streams draining the forested catchments suggest soil control on stream DOM The contribution of DON to total dissolved N in those streams ranged between 50% and 73%, underscoring the importance of DOM for the leaching of nutrients from forested areas In summary, OC and ON showed differences in their dynamics in forest as well as in agricultural ecosystems This was mainly due to the differing distribution of OC and ON between the more immobile hydrophobic and the more easily degradable hydrophilic fraction Geloster organischer Kohlenstoff und Stickstoff in Freiland- und Bestandesniederschlag, der Bodenlosung sowie in primaren Vorflutern in der tropischen Bergregion Nord-Thailands Geloste organische Substanz (DOM) spielt eine entscheidende Rolle beim C- und N-Kreislauf und -transport im Boden In Waldboden der gemasigten Zonen scheint geloster organischer N (DON) die mobilste N-Bindungsform darzustellen Auch im Vergleich zum DOC ist DON leichter verlagerbar Nur wenig ist jedoch uber die DOC- und DON-Dynamik unter tropischen Bedingungen bekannt In dieser Studie wurden wahrend der Regenzeiten 1998–2001 die DOC- bzw DON-Konzentrationen in Niederschlag, Bestandesniederschlag, Bodenlosung in 5, 15, 30 und 80 cm Tiefe und Abfluss kleiner Wassereinzugsgebiete in reprasentativen Landnutzungsformen des tropischen Berglands Nordthailands untersucht Zusatzlich wurde die Verteilung von DOC und DON in zwei operational definierten DOM-Fraktionen bestimmt Proben wurden auf einer Ackerflache (Kohlanbau), in einer Kiefernaufforstung, einem Sekundarwald und einem Primarwald genommen Die mittleren DOC- und DON-Konzentrationen betrugen im Niederschlag 17 ± 02 bzw 02 ± 01 mg L–1, wobei die hydrophile Fraktion dominierte Der Bestandesniederschlag wies bis zu dreifach hohere DOC-Konzentrationen auf, vornehmlich in der hydrophoben Fraktion Stickstoff lies dagegen keine Anreicherung erkennen Die maximalen Konzentrationen (75–139 mg C L–1 und 09–12 mg N L–1) wurden in den Lysimeterproben aus 5 cm Bodentiefe gemessen Die Freisetzung in den Auflagen und im obersten Mineralboden erfolgte bei C grostenteils in Form hydrophober Substanzen, wahrend bei Stickstoff die Zunahme der hydrophilen Fraktion entscheidend war Wie in den Boden der gemasigten Breiten sanken die Konzentrationen mit zunehmender Bodentiefe Hierbei wurde v a der hydrophobe DOM-Anteil in der Bodenlosung stark reduziert Die Veranderung der DOC-Zusammensetzung im Kronenraum der Baume und in der Auflage zeigt, dass hier primar Substanzen der hydrophoben Fraktion, die N-arm sind, freigesetzt werden Diese Substanzen werden im Mineralboden sorbiert und so der Bodenlosung entzogen Im Gegensatz dazu ist DON mehr der labilen hydrophilen Fraktion zuzuordnen Zumindest auf der Ackerflache mit Kohlanbau scheint auch Mineralisation einen Beitrag zur Abnahme der DOC- und DON-Konzentrationen zu leisten Dies ist vermutlich Ergebnis einer Stimulation der mikrobiellen Aktivitat durch Mineral-N-Dungung Die ahnlichen Konzentrationen an DOC und DON sowie deren ahnliche Verteilung auf DOM-Fraktionen in Unterboden und im Abfluss der Waldstandorte zeigen, dass hier Prozesse im Boden den DOM-Austrag bestimmen Der DON-Anteil am Gesamt-N in den Bachlaufen der bewaldeten Einzugsgebiete liegt zwischen 50 und 73 %, was die Bedeutung von DOM fur den Nahrstoffaustrag aus Waldsystemen unterstreicht Zusammenfassend zeigen DOC und DON Unterschiede in ihrer Dynamik sowohl unter Wald als auch unter Acker Dies geht uberwiegend auf die unterschiedliche Verteilung auf die stark sorbierende hydrophobe bzw die leicht zersetzbare hydrophile Fraktion zuruck

Root growth and N-uptake activity of oilseed rape (Brassica napus L.) cultivars differing in nitrogen efficiency

Abstract: Nitrate-N uptake from soil depends on root growth and uptake activity. However, under field conditions N-uptake activity is difficult to estimate from soil-N depletion due to different loss pathways. We modified the current mesh-bag method to estimate nitrate-N-uptake activity and root growth of two oilseed-rape cultivars differing in N-uptake efficiency. N-efficient cultivar (cv.) ‘Apex' and N-inefficient cv. ‘Capitol' were grown in a field experiment on a silty clayey gleyic fluvisol near Gottingen, northern Germany, and fertilized with 0 (N0) and 227 (N227) kg N ha–1. In February 2002, PVC tubes with a diameter of 50 mm were installed between plant rows at 0–0.3 and 0–0.6 m soil depth with an angle of 45°. At the beginning of shooting, beginning of flowering, and at seed filling, the PVC tubes were substituted by PVC tubes (compartments) of the same diameter, but with an open window at the upper side either at a soil depth of 0–0.3 or 0.3–0.6 m allowing roots to grow into the tubes. Anion-exchange resin at the bottom of the compartment allowed estimation of nitrate leaching. The compartments were then filled with root-free soil which was amended with or without 90 mg N (kg soil)–1. The newly developed roots and nitrate-N depletion were estimated in the compartments after the installing period (21 d at shooting stage and 16 d both at flowering and grain-filling stages). Nitrate-N depletion was estimated from the difference between NO-N contents of compartments containing roots and control compartments (windows closed with a membrane) containing no roots. The amount of nitrate leached from the compartments was quantified from the resin and has been taken into consideration in the calculation of the N depletion. The amount of N depleted from the compartments significantly correlated with root-length density. Suboptimal N application to the crop reduced total biomass and seed-yield formation substantially (24% and 38% for ‘Apex’ and ‘Capitol’, respectively). At the shooting stage, there were no differences in root production and N depletion from the compartments by the two cultivars between N0 and N227. But at flowering and seed-filling stages, higher root production and accordingly higher N depletion was observed at N0 compared to N227. Towards later growth stages, the newly developed roots were characterized by a reduction of root diameter and a shift towards the deeper soil layer (0.3–0.6m). At low but not at high N supply, the N-efficient cv. ‘Apex’ exhibited higher root growth and accordingly depleted nitrate-N more effectively than the N-inefficient cv. ‘Capitol’, especially during the reproductive growth phase. The calculated nitrate-N-uptake rate per unit root length was maximal at flowering (for the low N supply) but showed no difference between the two cultivars. This indicated that the higher N-uptake efficiency of cv. ‘Apex’ was due to higher root growth rather than higher uptake per unit of root length. Wurzelwachstum und N-Aufnahmeaktivitat von Olraps (Brassica napus L.)-Sorten mit unterschiedlicher Stickstoffeffizienz Die N-Aufnahme aus dem Boden hangt vom Wachstum und der Aufnahmeaktivitat der Wurzeln ab. Unter Feldbedingungen ist es jedoch wegen verschiedener Verlustpfade schwierig, die N-Aufnahmeaktivitat aus der Verarmung des Boden-Nmin zu berechnen. Wir modifizierten die gangige “Mesh-bag”-Methode, um die Nitrat-N-Aufnahmeaktivitat und das Wurzelwachstum von zwei Olrapssorten, die sich in ihrer N-Aufnahmeeffizienz unterscheiden, zu messen. Die N-effiziente Sorte ‘Apex’ und die N-ineffiziente Sorte ‘Capitol’ wurden in einem Feldversuch auf einem schluffig-tonigen Auengley bei Gottingen (Norddeutschland) mit den N-Stufen 0 (N0) und 227 (N227) kg N ha–1 angebaut. Im Februar 2002 wurden PVC-Rohren mit einem Durchmesser von 50 mm zwischen die Pflanzenreihen in einem Winkel von 45° in 0–0.3 and 0–0.6 m Bodentiefe installiert. Zu Beginn des Schossens, der Blute und der Samenfullung wurden die Rohren ersetzt durch andere PVC-Rohren (Behalter) – mit gleichem Durchmesser aber mit einem offenen Fenster auf der oberen Seite entweder in einer Bodentiefe von 0–0.3 oder 0.3–0.6 m, welches den Wurzeln erlaubte, in die Rohren hineinzuwurzeln. Ein Anionen-Austauscher am Boden der Behalter erlaubte die Quantifizierung der Nitrat-Auswaschung. Die Behalter wurden dann mit wurzelfreiem Boden ohne oder mit Zusatz von 90 mg N (kg Boden)–1 gefullt. Die hineinwachsenden Wurzeln und die Nitrat-Verarmung in den Behaltern wurden nach einer Einbauperiode von 21 d zum Schossen und jeweils 16 d zur Blute und zur Kornfullung quantifiziert. Die Nitrat-Verarmung wurde aus der Differenz zwischen den Nitrat-Gehalten von Behaltern mit Wurzeln und Kontrollbehaltern mit durch Membranen verschlossenen Fenstern ohne Wurzeln errechnet. Die Auswaschung von Nitrat aus den Behaltern lies sich aus dem Nitrat-Gehalt des Anionen-Austauschers ermitteln und wurde bei der Berechnung der Nitrat-Verarmung berucksichtigt. Die Nitrat-Verarmung der Behalter war mit der Wurzellangendichte signifikant positiv korreliert. Suboptimale N-Dungung des Bestandes reduzierte die Gesamt-Biomassebildung und den Kornertrag (24 % fur die Sorte ‘Apex’ und 38 % fur ‘Capitol’). Zum Schossen bestanden in Wurzelwachstum und N-Verarmung der beiden Sorten in den Kompartimenten keine Unterschiede zwischen N0 and N227. Zur Blute und zur Samenfullung waren Wurzelproduktion und entsprechend die N-Verarmung bei N0 im Vergleich zu N227 starker. In den spateren Entwicklungsstadien war die Bildung neuer Wurzeln in den Behaltern charakterisiert durch einen geringeren Wurzeldurchmesser und eine starkere Verschiebung zur tieferen Bodenschicht (0.3–0.6 m). Nur bei niedriger Bestands-N-Dungung zeigte die N-effiziente Sorte ‘Apex’ vor allem in der reproduktiven Wachstumsphase ein groseres Wurzelwachstum und eine starkere Nitrat-Verarmung als die N-ineffiziente Sorte ‘Capitol’. Die errechnete Nitrat-Aufnahmerate pro Einheit Wurzellange erreichte ihr Maximum zur Blute (bei niedriger N-Dungung), zeigte aber keine Sortenunterschiede. Dies weist darauf hin, dass die erhohte N-Aufnahmeeffizienz der Sorte ‘Apex’ auf einem erhohten Wurzelwachstum und nicht auf einer erhohten Aufnahmerate pro Einheit Wurzellange beruht.

Soil water balance and nitrate leaching in winter wheat–summer maize double-cropping systems with different irrigation and N fertilization in the North China Plain

Abstract: Field experiments over a 3 y period were conducted in a winter wheat-maize double-cropping system at the Dongbeiwang Experimental Station, Beijing, China. Three different treatments of irrigation (sprinkler “suboptimal” and “optimized”; conventional flood irrigation) and N fertilization (none, according to Nmin soil tests, conventional) were studied with respect to effects on soil water balance, nitrate leaching, and grain yield. Under sprinkler irrigation, evaporation losses were higher due to a more frequent water application. On the other hand, in this treatment nitrate leaching was smaller as compared to flood irrigation, where abundant seepage fluxes >10 mm d–1 along preferential flow paths occurred. For quantifying nitrate leaching, passive samplers filled with ion-exchange resins appeared to be better suited than a method which combined measurements of suction-cup concentrations with model-based soil water fluxes. As a result of the more balanced percolation regime (compared to that under conventional flood irrigation), there was a tendency of higher salt load of the soil solution in the rooting zone. Given a seepage rate of 50 mm, a winter wheat grain production of 5–6 t ha–1 required a total water addition of about 430 mm. Fertilizer treatments >100 kg N ha–1 did not result in any additional yield increase. An even balance between withdrawing and recharge of groundwater cannot be achieved with “optimized” irrigation, but with a reduction of evapotranspiration losses, adapted cropping systems, and/or by tapping water resources from reservoirs in more distant areas with surpluses. Bodenwasserhaushalt und Nitratauswaschung in Winterweizen-Sommermais-Anbausystemen mit unterschiedlicher Bewasserung und N-Dungung in der nordchinesischen Tiefebene Feldexperimente mit einer Winterweizen-Sommermais-Doppelfruchtfolge erfolgten uber einen dreijahrigen Zeitraum auf dem Versuchsfeld Dongbeiwang bei Peking, China. Untersucht wurde die Auswirkung von je drei Varianten der Bewasserung (Sprinkler “suboptimal“ und “optimiert“ sowie konventionelle Uberstaubewasserung) und der N-Dungung (ohne, basierend auf Nmin-Bodenuntersuchungen, konventionell) auf Bodenwasserhaushalt, Nitratauswaschung und Kornertrag. Bei Sprinklerbewasserung entstanden durch die haufigere Wasserzufuhr grosere Evaporationsverluste. Andererseits war hier die Nitratauswaschung deutlich geringer als bei Uberstaubewasserung, bei der haufig Sickerwasserstrome von >10 mm d–1 entlang praferenzieller Flieswege auftraten. Zur Erfassung der N-Auswaschung erwiesen sich Ionenaustauscher-Passivsammler als besser geeignet als die Kombination von Saugkerzenlosungen und modellberechneten Sickerraten. Unter dem bei Beregnung im Vergleich zur Uberstaubewasserung ausgeglicheneren Sickerungsregime ergaben sich Hinweise auf eine Salzanreicherung im Wurzelraum. Die Erzeugung von 5–6 t ha–1 Winterweizenkornertrag erfordert bei 50 mm Sickerung eine Gesamtwasserzufuhr von ca. 430 mm. Dungergaben >100 kg N ha–1 fuhrten zu keiner weiteren Ertragssteigerung. Eine ausgeglichene Bilanz zwischen Neubildung und Entnahme von Grundwasser ist nicht mit “optimierter“ Bewasserung, sondern nur uber eine Reduzierung der Verdunstungsverluste, angepasste Fruchtfolgen und/oder Wasserzufuhr aus weiter entfernten Gebieten mit Wasseruberschuss zu erreichen.

Osmotic stress and silicon act additively in enhancing pathogen resistance in barley against barley powdery mildew

Abstract: Osmotic stress as well as silicon (Si) improve the resistance of barley (Hordeum vulgare cv. Ingrid) against barley powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. hordei Speer). Nothing is known about interactions, particularly whether Si is necessary for pathogen resistance induced by osmotic stress. In this paper, we show that Si nutrition was not necessary for osmotic-stress-induced pathogen resistance. Si-mediated resistance could, however, be enhanced by osmotic stress and vice versa. Even at maximum Si-mediated resistance, further enhancement of pathogen resistance by osmotic stress was possible. The fungus was controlled by the formation of effective papillae in both treatments. The combined effect of Si and osmotic stress was as strong as the calculated addition of the Si and the osmotic-stress effect. Our data clearly show that the effect of osmotic stress and Si is not competitive but additive. A synergistic action of both treatments cannot be supported by our data. It is assumed that the basal pathogen resistance of barley is enhanced by Si due to strengthening of papillae in addition to the increased formation of effective papillae induced by osmotic stress. Therefore, the addition of Si increases pathogen resistance equally at all investigated NaCl concentrations. A function of Si in pathogen defense exceeding the strengthening of papillae is not supported by our data. Osmotischer Stress und Silizium erhohen die Pathogenresistenz von Gerste gegen Gerstenmehltau auf additive Weise Sowohl osmotischer Stress als auch Silizium (Si) verbessern die Resistenz von Gerste (Hordeum vulgare cv. Ingrid) gegen Gerstenmehltau (Blumeria graminis f. sp. hordei Speer). Dabei ist unbekannt, ob es eine Interaktion zwischen beiden Faktoren gibt und ob Si fur die durch osmotischen Stress induzierte Pathogenresistenz benotigt wird. Die hier dargestellten Ergebnisse zeigen, dass osmotischer Stress auch ohne Si-Ernahrung eine Pathogenresistenz induziert. Die durch Si erhohte Pathogenresistenz konnte durch osmotischen Stress weiter gesteigert werden und umgekehrt. Selbst wenn die durch Si erhohte Resistenz maximal war, steigerte osmotischer Stress diese weiter. Bei beiden Behandlungen wurde der Pilz durch die Bildung effektiver Papillen abgewehrt. Der kombinierte Effekt von Si und osmotischem Stress war genauso stark wie der berechnete additive Effekt dieser beiden Faktoren, was eine additive Wirkung der Behandlungen zeigt. Eine synergistische Wirkung beider Behandlungen konnte nicht nachgewiesen werden. Es ist zu vermuten, dass Si die basale Pathogenresistenz durch die Verstarkung der Papillen erhoht. Dieser Effekt addiert sich zu dem Effekt der durch osmotischen Stress erhohten Zahl effektiver Papillen. Daher erhohte die Zugabe von Si bei allen getesteten NaCl-Konzentrationen die Pathogenresistenz in demselben Mase. Eine uber die Verstarkung der Papillen hinaus gehende Funktion von Si in der Pathogenabwehr wird durch unsere Daten nicht gezeigt.

Carbon stocks and sequestration potentials of agricultural soils in the federal state of Baden‐Württemberg, SW Germany

Abstract: Soil organic carbon (SOC) inventories are important tools for studying the effects of land-use and climate change and evaluating climate-change policies A detailed inventory of SOC in the agricultural soils of the federal state of Baden-Wurttemberg was therefore prepared based on the highest-resolution geo-referenced soil, land-use, and climate data (BUK200 inventory) In order to estimate the quality of different approaches, C inventories of the region were also prepared based on data from the National Inventory Report (UBA, 2003) and by applying the IPCC (1997) method to the two data sets Finally, the BUK200 inventory was used to estimate potentials of no-tillage agriculture (NT) and peatland restoration to contribute to C sequestration and greenhouse-gas (GHG)-emission mitigation since both measures are discussed in this context Scenario assumptions were change to NT on 40% of the cropland and restoration of 50% of cultivated peatlands within 20 years On average, grasslands contained 95 kg C m–2 to 03 m depth as compared to only 60 kg C m–2 under cropland, indicating strong land-use effects The SOC content depended strongly on waterlogging and elevation, thus reflecting reduced C mineralization under aquic moisture regimes and low temperatures Comparison of the BUK200 inventory with the approach used for UBA (2003) showed high inconsistencies due to map resolution and SOC contents, whereas the IPCC method led to fairly good agreements Results on the simulated effects of NT and peatland restoration suggested that 5%–14% of total agricultural GHG emissions could be abated with NT whereas peat restoration appeared to have a minor mitigation potential (02%–27%) because the total area of cultivated organic soils was too small to have larger impact Kohlenstoffvorrate und -sequestrierungspotenziale landwirtschaftlicher Boden in Baden-Wurttemberg Kohlenstoffinventare sind ein wichtiges Instrument, um die Einflusse von Landnutzung und Klimawandel zu studieren und Klimaschutzpolitiken zu beurteilen Daher wurde ein detailliertes C-Inventar landwirtschaftlicher Boden Baden-Wurttembergs auf der Basis georeferenzierter Boden-, Landnutzungs- und Klimadaten mit der hochsten verfugbaren Auflosung erstellt (BUK200-Inventar) Um die Qualitat verschiedener Inventaransatze zu beurteilen, wurden zusatzlich C-Inventare der Region auf der Basis der Daten des Nationalen Inventarberichts (UBA, 2003) sowie durch Verwendung der IPCC-Methode (IPCC, 1997) erstellt Schlieslich wurde das BUK200-Inventar verwendet, um die Potenziale von Minimalbodenbearbeitung (NT) und Moorrenaturierung auf C-Sequestrierung und die Minderung von Treibhausgas-Emissionen abzuschatzen, da beide Masnahmen in diesem Zusammenhang diskutiert werden Die Szenarien gingen von einem Wechsel zu NT auf 40 % der Ackerflache und von der Renaturierung von 50 % der genutzten Moorboden innerhalb von 20 Jahren aus Im Schnitt lagen die C-Gehalte bis 0,3 m Tiefe unter Grunland bei 9,5 kg C m–2 und unter Ackerland bei 6,0 kg C m–2, was auf einen starken Einfluss der Landnutzung hinweist Der C-Gehalt hing stark von der Hydromorphie und der Meereshohe ab, was die reduzierte C-Mineralisation bei hoher Bodenfeuchtigkeit und niedrigen Temperaturen widerspiegelt Der Vergleich des BUK200-Inventars mit dem fur UBA (2003) zeigte deutliche Unterschiede aufgrund der Kartenauflosung und der C-Gehalte, wahrend die IPCC-Methode zu vergleichsweise guten Ubereinstimmungen fuhrte Die Ergebnisse der simulierten Einfuhrung von NT und Moorregeneration deuten an, dass 5–14 % der landwirtschaftlichen Treibhausgas-Emissionen durch NT vermieden werden konnten Moorregeneration hingegen besitzt ein geringes Minderungspotenzial (02–27 %), da die Gesamtflache kultivierter Moore zu gering ist, um einen groseren Einfluss zu haben

Lanthanum uptake from soil and nutrient solution and its effects on plant growth

Abstract: In view of restrictions in the application of antibiotics in animal production, Lanthanum (La) is intended to be introduced as a new growth promoter for pigs. Because most of the supplied La is subsequently excreted, it will be found in organic fertilizers which are applied to agricultural land. Thus, we examined the effect of lanthanum on the growth and La contents of plants in nutrient solution and in soils as well as its extractability from different soils. In nutrient solutions with concentrations of available La of up to 20 μmol L–1, shoot growth of bush bean was markedly reduced by up to 60% of the control at 20 μM La. By contrast, growth was not affected in maize. Lanthanum was mainly accumulated in the roots, but maize shoot contained considerable amounts of La as well. In contrast to nutrient solution, shoot growth of bush bean and spinach in soils supplemented with La up to 360 μmol kg–1 (50 mg kg–1) was not decreased. In contrast to spinach, bush bean shoots showed an increased La content at the highest La level. Extractability of La with 0.1 mol L–1 acetic acid from 12 different soils previously spiked with La was related mainly to soil pH, CEC, and Corg. We therefore conclude that except of strongly acidic conditions, the application of La-containing organic fertilizers does not represent a risk for plant growth for the next over 100 years, provided that the recommended doses of feed supplementation is not increased. Aufnahme von Lanthan aus Boden und Nahrlosung und Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum Angesichts der Einschrankungen im Einsatz von Antibiotika in der Tierfutterung besteht die Absicht, Lanthan (La) als neuen Leistungsforderer in der Schweinemast einzusetzen. Da der uberwiegende Teil des verfutterten La vom Tier ausgeschieden wird, gelangt La uber den Einsatz von Wirtschaftsdungern in das Agrarokosystem. Daher wurde der Einfluss von La auf das Wachstum und die La-Gehalte von Pflanzen sowie die La-Extrahierbarkeit aus verschiedenen Boden untersucht. In Nahrlosung wurde das Sprosswachstum von Buschbohne durch ein verfugbares La-Angebot von 20 μmol L–1 im Vergleich zur Kontrolle um etwa 60% reduziert. Das Wachstum von Mais wurde dagegen nicht beeinflusst. Lanthan wurde vor allem in den Wurzeln akkumuliert, jedoch wies auch der Spross von Mais erhohte La-Gehalte auf. Im Gegensatz zur Nahrlosung verringerten La-Zusatze von bis zu 360 μmol kg–1 (50 mg kg–1) zum Boden das Wachstum von Buschbohne und Spinat nicht. Im Unterschied zu Spinat war bei der hochsten La-Zugabe der La-Gehalt im Spross von Buschbohne erhoht. Die Extrahierbarkeit von La mit 0.1 mol L–1 Essigsaure aus 12 verschiedenen, zuvor mit La versetzten Boden wurde hauptsachlich durch den pH-Wert des Bodens, die KAK und den Gehalt an organischer Substanz bestimmt. Es lasst sich daher schlussfolgern, dass, auser unter sehr sauren Bedingungen, eine Schadigung fur das Pflanzenwachstum durch die Ausbringung La-haltiger Wirtschaftsdunger uber einen Zeitraum von mehr als 100 Jahren kaum zu erwarten ist, vorausgesetzt, die bisher empfohlene La-Dosierung in der Futterung wird nicht erhoht.

Sorption of HOC in soils with carbonaceous contamination: Influence of organic-matter composition

Abstract: Detailed information about structure and composition of organic sorbents is required to understand their impact on sorption capacity and sorption kinetic of organic pollutants. Therefore, the chemical composition of organic material from 18 geosorbents was investigated by solid-state 13C nuclear-magnetic-resonance (NMR) spectroscopy. Structural parameters such as aromaticity, polarity, and alkyl-C content were related to the Freundlich sorption exponent (1/n) and the sorption coefficient . The geosorbents included three natural and four combusted coals (carbonaceous material), three Histosols, five mineral soils from Germany containing inputs of technogenic carbonaceous material, derived from industrial activities, and four non-contaminated mineral soils from Germany. Equilibrium sorption was measured for five hydrophobic organic compounds and analyzed with the solubility-normalized Freundlich sorption isotherm. With increasing maturation degree, the proportion of polar constituents decreases from the natural soils to the coals. In contrast to the non-polluted mineral soils, the soils with technogenic input are characterized by high aromaticity and low polarity. A positive correlation between sorption coefficient and aromaticity was found. The Freundlich exponent (1/n) is negatively correlated with the aromaticity, denoting an increase of adsorption processes with increasing aromaticity. Likewise, the contribution of partitioning decreases. This sorption mechanism predominates only if the organic matter in the samples contains a high proportion of polar compounds. Sorption von HOC in Boden mit kohleartiger Kontamination: Einfluss der Zusammensetzung des organischen Materials Um den Einfluss von organischen Sorbenten auf die Sorptionskapazitat und die Kinetik organischer Schadstoffe zu verstehen, mussen detaillierte Informationen uber deren Struktur und Zusammensetzung vorliegen. Aus diesem Grund wurde das organische Material von 18 Geosorbenten mittels der Festkorper-13C-NMR-Spektroskopie untersucht. Strukturelle Parameter wie zum Beispiel die Aromatizitat, die Polaritat und der Alkyl-C-Gehalt wurden mit dem Freundlich-Exponenten 1/n und dem Sorptionskoeffizienten korreliert. Die Geosorbenten bestehen aus drei naturlichen und vier thermisch behandelten Kohlen, drei Histosolen und funf deutschen Mineralboden, die technogenes kohlehaltiges Material aus industriellen Aktivitaten enthalten, sowie vier nicht kontaminierten deutschen Boden. Die Gleichgewichtssorption wurde fur funf hydrophobe, organische Verbindungen gemessen und mit Hilfe der loslichkeitsnormalisierten Freundlich-Isotherme analysiert. Der Anteil der polaren Komponenten nimmt von den naturlichen Boden zu den Kohlen mit zunehmendem Inkohlungsstadium ab. Im Gegensatz zu den nicht kontaminierten Mineralboden weisen die Boden mit technogenen Bestandteilen eine hohe Aromatizitat und eine geringe Polaritat auf. Zwischen dem und der Aromatizitat ergab sich ein positiver Zusammenhang. Der Freundlich Exponent (1/n) korreliert negativ mit der Aromatizitat. Dies weist auf eine Zunahme der Adsorptionsprozesse mit Erhohung der Aromatizitat hin. Der Beitrag der Partitionierung sinkt ebenfalls. Dieser Sorptionsmechanismus dominiert nur in den Proben, in denen das organische Material einen hohen Anteil polarer Bestandteile besitzt.

Changes in P fractions and sorption in an Alfisol following crop residues application

Abstract: With the emphasis on sustainable agriculture, attention has been increasingly turning to recycling of crop residues as a component of fertility management strategies for tropical soils. We assessed the effects of soybean residue (SR) and wheat residue (WR) applied either alone or in combination with fertilizer P (FP) on dynamics of labile P, distribution of P fractions, and P sorption in a semiarid tropical Alfisol by conducting a 16 w long incubation experiment. The amount of P added through crop residues, FP or their combinations was kept constant at 10 mg P (kg soil) -1 . Addition of SR or WR resulted in net increase of labile inorganic (P i ) and organic P (P o ) and microbial P throughout the incubation period, except that the WR decreased labile P i during first 2 w due to P immobilization. The P immobilization associated with WR addition was, however, offset when fertilizer P was combined with WR. Generally, the increases in labile-P fractions were larger with the SR and SR+FP than with the WR and WR+FP. The sequential fractionation of soil P at the end of 16 w indicated that a major part of added fertilizer P transformed into moderately labile and stable P fractions as evident from the increased NaOH-P, and HCI-P in the FP treatment. In contrast, the addition of SR and WR alone or in combination with FP favored a build-up in NaHCO 3 -P i and -P o and NaOH-P o fractions while causing a decrease in NaOH-P, and HCI-P fractions. The addition of these crop residues also effectively decreased the P-sorption capacity and hence reduced the standard P requirement of the soil (i.e., the amount of P required to maintain optimum solution P concentration of 0.2 mg P I -1 ) by 24%-43%. Results of the study, thus, imply that soybean and wheat crop residues have the potential to improve P fertility of Alfisols by decreasing P-sorption capacity and by redistributing soil P in favor of labile-P fractions and promoting accretion of organic P.

Long-term effects of cropped vs. fallow and fertilizer amendments on soil organic matter I. Organic carbon

Abstract: A long-term field experiment, conducted since 1962 in Gumpenstein (Austria) on a Dystric Cambisol, was used for the present investigation. We combined a physical fractionation procedure with the determination of natural abundance of 13C and FT-IR spectroscopy to study the influence of fertilizer amendments (organic manure and mineral fertilizers) and management practices (fallow vs. cropped) on changes in organic carbon (OC) associated with different particle-size fractions. The OC content in bulk soil decreased or was not affected by slurry+straw, PK, and NPK treatments in both fallow and cropped plots after 28 and 38 yr of treatment. However, OC in plots receiving organic manures increased depending on the quality of the organic manures applied. The ranking among the different treatments under both fallow and cropped plots was: animal manure (liquid) > animal manure (solid) > cattle slurry = slurry+straw = PK = NPK. Results showed that the two types of management practices, fallow (non-tilled) vs. cropped (tilled) had effects on OC concentrations. Comparing the OC contribution of particle-size fractions to the total OC amount revealed the following ranking: silt > clay > fine sand > coarse sand except in the plots receiving solid or liquid animal manure. Size fractions within treatments showed larger variations of 13C abundances than bulk samples between treatments. The natural abundances of 13C increased especially in cropped (and tilled) plots. It was shown by cluster analysis that FT-IR spectra differentiated between the different treatments originating from different land management practices. The present study revealed that below-ground C deposition by agricultural plants can hardly compensate the C losses due to tillage. Langzeiteffekte von Brache auf die organische Bodensubstanz im Vergleich zu Fruchtfolge und Dungerausbringung I. Organischer Kohlenstoff Ein Langzeitversuch, der in Gumpenstein (Steiermark, Osterreich) 1962 auf einer Braunerde angelegt wurde, wurde fur die vorliegende Untersuchung herangezogen. Wir kombinierten eine physikalische Fraktionierung mit der Bestimmung von C-Gehalten, der naturlichen Variation von 13C und einer FT-IR-spektroskopischen Charakterisierung, um den Einfluss der Dungung und der Bodennutzung allgemein auf C-Pools in Partikelgrosenfraktionen zu untersuchen. Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) nahmen nach 28 bzw. 38 Versuchsjahren etwas ab oder wurden nicht verandert durch Rindergulle + Stroh, PK- oder NPK-Dungung und zwar sowohl in bepflanzten (und bearbeiteten) Plots als auch in den Bracheplots (ohne Bodenbearbeitung). Jene Plots, die Stallmist erhielten, zeigten eine Zunahme der OC-Gehalte. Die Reihung der OC-Gehalte war: Stallmist (flussig) > Stallmist (fest) > Rindergulle = Rindergulle mit Stroh = PK = NPK. Die Bodenbearbeitung (bepflanzte Varianten) fuhrte zu einer klaren Abnahme der OC-Gehalte. Die C-Verteilung in den Partikelgrosenfraktionen nahm von Schluff uber Ton, Feinsand zu Grobsand ab. Die 13C-Haufigkeiten variierten zwischen den Korngrosenfraktionen starker als zwischen den Behandlungen, wobei die Bodenbearbeitung zu einer deutlichen Verschiebung zu starker positiven δ13C-Werten fuhrte. FT-IR-Spektren konnten die Unterschiede zwischen den Behandlungen zeigen. Unsere Untersuchung verdeutlichte, dass der C-Input durch Pflanzenreste die C-Verluste durch die Bodenbearbeitung nicht kompensieren kann.

Release of interlayer potassium in Norwegian grassland soils

Abstract: Potassium (K) release from sources that are not initially exchangeable is attributed to depletion of interlayer K of micas and clay minerals or weathering of feldspars. The aim of the present study was to estimate the K release from interlayer K. Soil samples from 17 field experiments in ley on a range of mineral soils in Norway were used in the study. The change in K-fixation capacity was used as an estimate of depletion of interlayer K. It was assumed that the increase in K-fixation capacity during 3 yr of cropping was equivalent to the amount of K depleted from the interlayer positions. Mean K fixation increased in the majority of the soils during 3 yr of grass cropping both with and without K application. The increase in K fixation indicated that without K application, the K uptake from interlayer K amounted to 43%, 28%, and 26% of the K yield for clay soils, high-K sandy soils, and low-K sandy soils, respectively. Including K uptake from exchangeable K in the topsoil and from subsoil, the explained K uptake amounted to 79%, 69%, and 81% for the three groups of soil, respectively. Simple linear-regression analyses showed that the change in K fixation during 3 yr of grass cropping was best explained by the percentage of clay in the soil. Freisetzung von Zwischenschicht-Kalium in norwegischen Grasland-Boden Die Freisetzung von Kalium (K) aus nicht austauschbaren Quellen wird der Entnahme von K aus Zwischenschichten von Glimmern und Tonmineralen oder der Verwitterung von Feldspaten zugeschrieben. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die K-Entnahme aus der Zwischenschicht abzuschatzen. Bodenproben von 17 Feldversuchen in Grasland auf verschiedenen Mineralboden in Norwegen wurden fur diese Studie herangezogen. Die Veranderung des K-Fixierungsvermogens wurde zur Schatzung der K-Entnahme aus der Zwischenschicht herangezogen. Dabei wurde angenommen, dass der Anstieg des K-Fixierungsvermogens uber die drei Anbaujahre der K-Menge entsprach, die aus den Zwischenschicht-Positionen entfernt wurde. Im Grosteil der Boden stieg die durchschnittliche K-Fixierung uber die dreijahrige Grasanbauphase ohne K-Dungung an. Der Anstieg der K-Fixierung deutet darauf hin, dass die K-Aufnahme von Zwischenschicht-K 43 % des K-Ertrages fur tonige Boden, 28 % fur sandige Boden mit hohem K-Gehalt und 26 % fur sandige Boden mit niedrigem K-Gehalt betrug. Unter Einbeziehung der K-Aufnahme von austauschbarem K aus dem Oberboden und aus dem Unterboden betrug die nachgewiesene K-Aufnahme 79, 69 bzw. 81 % fur die jeweiligen Bodengruppen. Nach dem Ergebnis der einfachen linearen Regression ist die Veranderung der K-Fixierung uber drei Jahre mit Grasanbau am besten mit dem Prozentanteil Ton im Boden erklarbar.

Does H+ pumping by plasmalemma ATPase limit leaf growth of maize (Zea mays) during the first phase of salt stress?

Abstract: In the first phase of salt stress, growth of plants is impaired mainly by osmotic stress. To elucidate the effect of NaCI salinity on elongation growth of maize leaves in the first phase of salt stress, we investigated the effect of NaCl on gene expression and activity of the plasmalemma H + ATPase of elongating leaves of maize (Zea mays L.). Treatment of maize plants with 125 mM NaCI for 3 d decreased leaf growth relative to control plants (1 mM NaCI). Whereas H + ATPase hydrolytic activity was unaffected, the ability of the H + ATPase to establish a pH gradient was strongly reduced. Total mRNA of plasmalemma H + ATPase was slightly increased. However, mRNA of the ATPase isoform MHA1 was significantly reduced and ATPase isoform MHA4 was strongly increased at the mRNA level. Synthesis of total H + ATPase protein was unchanged as revealed by western blot. The results indicate that reduced pumping of H + ATPase in leaf plasmalemma under salt stress may be caused by a switch to gene expression of the specific isoform MHA4, which shows inferior H + -pumping efficiency in comparison to isoforms expressed under control conditions. We propose that reduced H + pumping of plasmalemma H + ATPase is involved in the reduction of leaf growth of maize during the first phase of salt stress.