The effects of plant density and nitrogen fertilization on maize yield and soil microbial communities in the black soil region of Northeast China

• DOI: 10.1016/j.geoderma.2023.116325
• Publication Date: 2023-01-10T23:09:23Z
• Authors: Shuai Hou; Hong Ren; Fenliang Fan; Ming Zhao; Wenbin Zhou; Baoyuan Zhou; Congfeng Li
• Keywords: Soil Science; Plant Science; Plant Density; Agricultural and Biological Sciences; Proteobacteria; Soil water; Genetics; Biology; Soil Fertility; Factors Affecting Maize Yield and Lodging Resistance; Ecology; Bacteria; Botany; Life Sciences; Plant Nutrient Uptake and Signaling Pathways; 04 agricultural and veterinary sciences; Soil carbon; Agronomy; Acidobacteria; FOS: Biological sciences; Maize Yield; Nitrogen Uptake; 0401 agriculture, forestry, and fisheries; Soil Carbon Dynamics and Nutrient Cycling in Ecosystems; Agronomy and Crop Science; 16S ribosomal RNA

Pour obtenir un rendement élevé en maïs (Zea mays L.), l'engrais azoté (N) est largement utilisé dans le monde entier et a considérablement modifié les communautés microbiennes du sol et influencé la santé des sols. L'augmentation de la densité des plantes est une stratégie efficace pour augmenter le rendement du maïs, tandis que les variations des communautés microbiennes du sol en réponse à la densité des plantes sous des niveaux élevés d'azote n'ont pas été bien étudiées. Dans le nord-est de la Chine, le maïs a été cultivé à des densités faibles (LD, 67 500 plants ha−1) et élevées (HD, 90 000 plants ha−1), combinées à trois taux d'application de N de 0, 200 et 400 kg N ha− 1 an−1(N0, N200 et N400). Sur la base d'une expérience sur le terrain de six ans, les principales caractéristiques microbiennes du sol et les propriétés physico-chimiques des sols supérieurs (0–20 cm), ainsi que le rendement et les paramètres végétatifs ont été examinés. Par rapport à celui de LD, le rendement en grains de maïs de HD a augmenté de 10,8 % pour les taux d'application de N de 2012 à 2017 (P < 0,05), alors qu'aucune différence significative entre N200 et N400 n'a été observée. La HD a significativement augmenté le carbone de la biomasse microbienne (MBC), la biomasse microbienne N (MBN) et la diversité bactérienne et fongique à N400 (P < 0,05). Les phylums bactériens dominants dans tous les échantillons étaient Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria et Thaumarchaeota, et les phylums fongiques étaient Ascomycota, Basidiomycota et Zygomycota. La composition des espèces de MH partageait plus de similitude entre N200 et N400 que celle de LD. La HD a significativement augmenté l'abondance de Nitrososphaera et réduit l'abondance de Pseudomonas et de Sphingobium. De LD à HD, l'abondance du gène des archées oxydant l'ammoniac (AOA) a augmenté tandis que l'abondance du gène nirK a diminué à tous les taux d'application de N, et l'abondance des bactéries oxydant l'ammoniac (AOB) et du gène nirS a diminué à N0 et N400 mais a augmenté à N200 (P < 0,05). La biomasse des pousses et l'absorption de N étaient en corrélation positive avec le MBC et le MBN, mais en corrélation négative avec la diversité de la communauté microbienne. La HD a directement augmenté la biomasse racinaire et l'absorption de N, puis réduit les teneurs en N du sol (NH4+-N, NO3–-N et TN) et ainsi régulé positivement les communautés microbiennes du sol. Les différences relatives des indices de diversité et de l'abondance des gènes fonctionnels entre les taux d'application de N de la MH étaient significativement plus faibles que celles de la LD. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent qu'une densité végétale plus élevée de maïs pourrait atténuer les effets néfastes de la surutilisation d'engrais azotés sur les communautés microbiennes du sol, conciliant ainsi la productivité du maïs et la santé des sols noirs dans le nord-est de la Chine.<br/>To obtain high maize yield (Zea mays L.), nitrogen (N) fertilizer is widely used across the world and has greatly altered soil microbial communities and influenced soil health. Increasing plant density is an effective strategy for increasing maize yield, while variations in soil microbial communities in response to plant density under high N levels have not been well-studied. In Northeast China, maize was grown at low (LD, 67,500 plants ha−1) and high (HD, 90,000 plants ha−1) densities, combined with three N application rates of 0, 200, and 400 kg N ha−1yr−1(N0, N200 and N400). Based on a six-year field experiment, key soil microbial characteristics and physicochemical properties of top soils (0–20 cm), as well as yield and vegetative parameters were examined. Compared with that of LD, the maize grain yield of HD increased 10.8 % across N application rates from 2012 to 2017 (P < 0.05), while no significant differences between N200 and N400 were observed. HD significantly increased microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass N (MBN), and bacterial and fungal diversity at N400 (P < 0.05). Dominant bacterial phyla across all samples were Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria and Thaumarchaeota, and fungal phyla were Ascomycota, Basidiomycota and Zygomycota. Species composition of HD shared more similarity between N200 and N400 than that of LD. HD significantly increased the abundance of Nitrososphaera and reduced the abundance of Pseudomonas and Sphingobium. From LD to HD, ammonia-oxidizing archaea (AOA) gene abundance increased while nirK gene abundance decreased at all N application rates, and ammonia oxidizing bacteria (AOB) and nirS gene abundances decreased at N0 and N400 but increased at N200 (P < 0.05). Shoot biomass and N uptake were positively correlated with MBC and MBN but negatively correlated with microbial community diversity. HD directly increased root biomass and N uptake, then reduced soil N contents (NH4+-N, NO3–-N, and TN) and thus positively regulated soil microbial communities. Relative differences of diversity indexes and functional gene abundances between N application rates of HD were significantly lower than those of LD. Overall, our findings indicate that higher plant density of maize could mitigate the adverse effects of N fertilizer overuse on soil microbial communities, thus reconciling maize productivity and black soil health in Northeast China.<br/>للحصول على غلة عالية من الذرة (Zea mays L.)، يستخدم الأسمدة النيتروجينية على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم وقد غيرت بشكل كبير المجتمعات الميكروبية للتربة وأثرت على صحة التربة. زيادة كثافة النبات هي استراتيجية فعالة لزيادة غلة الذرة، في حين أن الاختلافات في المجتمعات الميكروبية للتربة استجابة لكثافة النبات تحت مستويات ن عالية لم يتم دراستها بشكل جيد. في شمال شرق الصين، تمت زراعة الذرة بكثافة منخفضة (LD، 67500 نبات هكتار-1) وعالية (HD، 90،000 نبات هكتار-1)، جنبًا إلى جنب مع ثلاثة معدلات تطبيق N من 0 و 200 و 400 كجم N هكتار-1سنة-1(N0 و N200 و N400). استنادًا إلى تجربة ميدانية مدتها ست سنوات، تم فحص الخصائص الميكروبية الرئيسية للتربة والخصائص الفيزيائية الكيميائية للتربة العليا (0–20 سم)، بالإضافة إلى المعلمات الإنتاجية والخضرية. وبالمقارنة مع محصول حبوب الذرة، زاد محصول حبوب الذرة عالية الدقة بنسبة 10.8 ٪ عبر معدلات الاستخدام من عام 2012 إلى عام 2017 (أقل من 0.05)، في حين لم يلاحظ وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين N200 و N400. زاد HD بشكل كبير من كربون الكتلة الحيوية الميكروبية (MBC)، والكتلة الحيوية الميكروبية N (MBN)، والتنوع البكتيري والفطري عند N400 (P < 0.05). كانت الشُعب البكتيرية السائدة في جميع العينات هي البكتيريا البروتينية والحمضية والشعاعية والثوماركايوتا، وكانت الشُعب الفطرية هي أسكوميكوتا و باسيديوميكوتا و زيغوميكوتا. تشترك تركيبة الأنواع عالية الدقة في تشابه أكبر بين N200 و N400 من تركيبة LD. زاد HD بشكل كبير من وفرة النتروسوفيرا وقلل من وفرة الزائفة وسفينغوبيوم. من LD إلى HD، زادت وفرة الجينات العتيقة المؤكسدة للأمونيا (AOA) بينما انخفضت وفرة الجينات nirK في جميع معدلات الاستخدام N، وانخفضت وفرة الجينات المؤكسدة للأمونيا (AOB) و nirS عند N0 و N400 ولكنها زادت عند N200 (P < 0.05). ارتبطت الكتلة الحيوية للطلقات وامتصاص N بشكل إيجابي مع MBC و MBN ولكنها ارتبطت سلبًا بتنوع المجتمع الميكروبي. أدى HD مباشرة إلى زيادة الكتلة الحيوية للجذر وامتصاص N، ثم تقليل محتويات التربة N (NH4+- N، NO3 - N، و TN) وبالتالي المجتمعات الميكروبية للتربة المنظمة بشكل إيجابي. كانت الاختلافات النسبية لمؤشرات التنوع ووفرة الجينات الوظيفية بين معدلات تطبيق N من HD أقل بكثير من تلك الخاصة بـ LD. بشكل عام، تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن ارتفاع كثافة نبات الذرة يمكن أن يخفف من الآثار السلبية للإفراط في استخدام الأسمدة على المجتمعات الميكروبية للتربة، وبالتالي التوفيق بين إنتاجية الذرة وصحة التربة السوداء في شمال شرق الصين.<br/>Para obtener un alto rendimiento de maíz (Zea mays L.), el fertilizante de nitrógeno (N) se utiliza ampliamente en todo el mundo y ha alterado en gran medida las comunidades microbianas del suelo e influido en la salud del suelo. El aumento de la densidad de las plantas es una estrategia eficaz para aumentar el rendimiento del maíz, mientras que las variaciones en las comunidades microbianas del suelo en respuesta a la densidad de las plantas en niveles altos de N no se han estudiado bien. En el noreste de China, el maíz se cultivó a densidades bajas (LD, 67,500 plantas ha−1) y altas (HD, 90,000 plantas ha−1), combinadas con tres tasas de aplicación de N de 0, 200 y 400 kg N ha− 1 año−1(N0, N200 y N400). Con base en un experimento de campo de seis años, se examinaron las características microbianas clave del suelo y las propiedades fisicoquímicas de los suelos superiores (0–20 cm), así como los parámetros de rendimiento y vegetativos. En comparación con el de LD, el rendimiento de grano de maíz de HD aumentó un 10,8 % en las tasas de aplicación de N de 2012 a 2017 (P < 0,05), mientras que no se observaron diferencias significativas entre N200 y N400. La HD aumentó significativamente el carbono de la biomasa microbiana (MBC), la biomasa microbiana N (MBN) y la diversidad bacteriana y fúngica en N400 (P < 0.05). Los filos bacterianos dominantes en todas las muestras fueron Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria y Thaumarchaeota, y los filos fúngicos fueron Ascomycota, Basidiomycota y Zygomycota. La composición de especies de HD compartió más similitud entre N200 y N400 que la de LD. La EH aumentó significativamente la abundancia de Nitrososphaera y redujo la abundancia de Pseudomonas y Sphingobium. De LD a HD, la abundancia de genes de arqueas oxidantes de amoníaco (AOA) aumentó mientras que la abundancia de genes nirK disminuyó en todas las tasas de aplicación de N, y las abundancias de genes de bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) y nirS disminuyeron en N0 y N400 pero aumentaron en N200 (P < 0.05). La biomasa del brote y la captación de N se correlacionaron positivamente con MBC y MBN, pero se correlacionaron negativamente con la diversidad de la comunidad microbiana. La HD aumentó directamente la biomasa radicular y la absorción de N, luego redujo el contenido de N del suelo (NH4+-N, NO3–-N y TN) y, por lo tanto, reguló positivamente las comunidades microbianas del suelo. Las diferencias relativas de los índices de diversidad y las abundancias de genes funcionales entre las tasas de aplicación de N de HD fueron significativamente más bajas que las de LD. En general, nuestros hallazgos indican que una mayor densidad de plantas de maíz podría mitigar los efectos adversos del uso excesivo de fertilizantes de N en las comunidades microbianas del suelo, conciliando así la productividad del maíz y la salud del suelo negro en el noreste de China.<br/>