Nostoc cyanobacterial inoculation in South African agricultural soils enhances soil structure, fertility, and maize growth

Resumo

Muitos solos na África do Sul têm baixo suprimento de nutrientes, baixa estabilidade estrutural e são propensos à erosão do solo devido à suscetibilidade à impermeabilização e formação de crostas na superfície. Dois solos encrostados da província de Eastern Cape, África do Sul, foram usados ​​para avaliar os efeitos da inoculação com uma cepa de Nostoc na estrutura do solo, fertilidade e crescimento do milho. A suspensão Nostoc foi aplicada uniformemente sobre solos de vasos a uma taxa de 6g (peso seco) por metro quadrado logo após a germinação do milho. A inoculação de Nostoc aumentou o N do solo em 17% e 40% nos solos de Hertzog e Guquka, respectivamente. O C do solo também aumentou significativamente e esse aumento foi fortemente associado ao N do solo ( R ²= 0,838). Os maiores teores de C do solo, N do solo e N mineral, no entanto, foram encontrados em solos inoculados com Nostoc não cultivados . A inoculação de Nostoc aumentou a produção de matéria seca do milho em 49% e 40% nos solos de Hertzog e Guquka, respectivamente. Os aumentos correspondentes no N do tecido do milho foram de 23% e 14%, respectivamente. A microscopia eletrônica de varredura (SEM) revelou que as partículas do solo e fragmentos de solos inoculados não cultivados tinham revestimentos de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) com outras partículas enredadas em redes de filamentos, enquanto, em contraste, pouco ou nenhum EPS e/ou filamentos foram observados em solos cultivados e/ou não inoculados. Isso foi consistente com a análise química que mostrou que Nostoccausou aumentos significativos nos teores de EPS e C do solo de solos não cultivados. A proporção de agregados muito estáveis ​​foi aumentada pela inoculação com Nostoc possivelmente devido às maiores quantidades de C e EPS do solo observadas nos solos inoculados. Os solos inoculados cultivados com milho tiveram uma proporção menor de agregados estáveis, presumivelmente devido aos seus baixos teores de C e EPS no solo, em comparação com os solos não cultivados. Os resultados sugerem que Nostoc pode melhorar a fertilidade e a estabilidade estrutural dos solos degradados estudados.

Abstract

Many soils in South Africa have low nutrient supply, poor structural stability and are prone to soil erosion due to susceptibility to surface sealing and crusting. Two crusting soils from the Eastern Cape Province, South Africa were used to evaluate the effects of inoculation with a strain of Nostoc on soil structure, fertility and maize growth. The Nostoc suspension was uniformly applied over potted soils at a rate of 6g (dry weight) per square meter soon after maize germination. Nostoc inoculation increased soil N by 17% and 40% in Hertzog and Guquka soils, respectively. Soil C was also increased significantly and this increase was strongly associated with that of soil N (R ² = 0.838). The highest contents of soil C, soil N and mineral N, however, were found in non-cropped Nostoc inoculated soils. Nostoc inoculation increased maize dry matter yields by 49% and 40% in Hertzog and Guquka soils, respectively. Corresponding increases in maize tissue N were 23% and 14%, respectively. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that soil particles and fragments of non-cropped inoculated soils had coatings of extracellular polymeric substances (EPS) with other particles enmeshed in networks of filaments, whilst by contrast little or no EPS and/or filaments were observed on cropped and/or non-inoculated soils. This was consistent with chemical analysis which showed that Nostoc caused significant increases in the EPS and soil C contents of non-cropped soils. The proportion of very stable aggregates was increased by inoculation with Nostoc possibly due to the greater quantities of soil C and EPS observed in inoculated soils. Inoculated soils cropped with maize had a lower proportion of stable aggregates presumably due to their low soil C and EPS contents compared to non-cropped soils. The results suggested that Nostoc could improve the fertility and structural stability of the studied degraded soils.