Jordmikrober lever, fungerande barometrar för markens hälsa. De är ansvariga för att förvandla atmosfäriskt kväve till former som växter kan använda, och för att släppa ut kväve i luften. Gårdsledningsbeslut påverkar utan tvekan dessa mikroskopiska arbetshästar, men, tills nu, forskare hade inte en fullständig bild av hur växelbruk och jordbearbetning påverkar markens mikrobiomet.

"Det mesta av forskningen om markens mikrobiell hälsa har gjorts i ett labb eller växthusmiljö, eller i kortsiktiga fältförsök. Här i Illinois, vi har en fantastisk möjlighet att titta på vad långsiktig gårdsdrift gör med marken, säger Maria Villamil, docent vid Department of Crop Sciences vid University of Illinois och medförfattare till en ny studie publicerad i Vetenskap om den totala miljön .

Utnyttja ett 20-årigt fältexperiment, Forskare från Illinois har påvisat betydande risker förknippade med kontinuerliga majsrotationer, både för markens mikrobiella samhälle och för miljöhälsan i större skala.

"För att bibehålla avkastningsnivåerna under kontinuerlig majs, mer oorganiskt kväve krävs, vilket förstärker kvävekretsloppet och orsakar en farlig slinga, " säger Gevan Behnke, huvudförfattare till studien och postdoktoral forskare inom grödor. "Resultatet är försurning och potentiella ökningar av kväveförluster och skadliga lustgasutsläpp."

Att rotera majs med sojaböna i ett år eller mer dämpar effekten, fann forskarna.

Forskare från Illinois planterade först majs och sojabönor på försöksplatsen 1996, med några fält i kontinuerlig majs, andra i kontinuerliga sojabönor, och andra som roterar årligen mellan grödorna. Inom varje beskärningssystem, fält var antingen inte bearbetade eller mejselbearbetade varje år.

Behnke analyserade jordprov tagna från varje fälttyp 2015 och 2016, extrahera DNA och mäta fysikaliska och kemiska egenskaper.

"DNA-analysen var viktig eftersom många problem är relaterade till kvävecykeln, om det är lustgasutsläpp, nitratläckage till vattendrag, eller bara en giftig uppbyggnad av kväve i jorden, " säger Behnke. "Därför, vi studerade gener och mikrobiella grupper associerade med fixering, nitrifikation, och denitrifikation."

Processen med mikrobiell nitrifikation förvandlar ammoniakgödselmedel till nitrat, en mycket mer mobil form i samband med avrinning och urlakning. Denitrifiering, å andra sidan, omvandlar nitrat till gasform, inklusive kväve- och dikväveoxid, en potent växthusgas.

Att lägga ihop all data, forskarna fann att majs kontinuerligt ökade organiskt material och surhet i jorden, och ledde till en ökning av mikrober involverade i både nitrifikation och denitrifikation. Forskarna fann det motsatta mönstret i kontinuerliga sojabönor, och mellanliggande resultat i majs-sojabönrotationerna.

"Tidigare studier har visat att majs kontinuerligt släpper ut mer växthusgaser, men vår studie förklarade varför på mikrobiell nivå, "Behnke säger." Det var bra att se våra resultat matcha så. "

Hantering utan jordbearbetning ökade organiskt material i marken, vilket ledde till surare jordar och en ökning av mängden bakterier som omvandlar ammoniak till nitrat.

"Kväve lämnas kvar på marken på fält utan bearbetning, medan jordbearbetning verkligen kan sprida ut det kvävet över de 10 bästa centimeterna. Dock, jordbearbetning i sig var inte en lika stark drivkraft för mikrobiell överflöd som växtföljd, " säger Behnke. "I slutändan, Att minska antalet majsår kommer att bidra till att minska de negativa effekterna av kontinuerlig majs på markens hälsa."

Den första studien i sitt slag ger inte bara viktig grundläggande information om markens hälsa i agronomiska system, den fastställer också en baslinje för framtida forskning.

Villamils ​​större forskningsprogram försöker förstå hur täckgrödor påverkar markens mikrobiell aktivitet när de läggs till majs- och sojarotationer. Hennes team publicerade nyligen en analys av befintlig forskning om ämnet och avslutade två års fältprovtagning med täckgrödor på den långsiktiga platsen.

"Hela bilden, vi tittar på om det finns en potential att manipulera markhälsa och mikrobiomet med täckgrödor. I Illinois, vi har fastnat för det här systemet med majs och sojabönor. Våra resultat tyder på att omväxlande majs med sojaböna kan hjälpa, men de är verkligen väldigt lika grödor, båda mycket extraktiva, " säger Villamil. "Vi måste öka mångfalden av grödor antingen i tid eller i rymden, och jag tror att täckgrödor är en av lösningarna vi har just nu. Vi måste bli medvetna."

Hon tillägger att det är av yttersta vikt att förbättra markens hälsa, oavsett metod.

"Markhälsa har många kopplingar till miljöhälsa, främst genom kontroll av växthusgaser, men också för människors hälsa. Ny forskning finner samband mellan markens mikrobiell biologiska mångfald och det mänskliga mikrobiomet. Så det finns ett stort behov av att verkligen förstå hur markens hälsa fungerar inom olika jordbruksmiljöer på grund av dessa starka kopplingar till miljöhälsa och potentiellt människors hälsa, " säger hon. "Hälsosam jord stöder hälsosamt liv."

Artikeln, "Försurning i majsmonokulturer gynnar svampar, ammoniakoxiderande bakterier, och nirK-denitrifier-grupper, " publiceras i Vetenskap om den totala miljön .