Two pathways drive enhanced nitrogen acquisition via a complementarity effect in long-term intercropping

Resumo

Contexto ou problema: O efeito de complementaridade (EC) que leva a uma utilização mais eficiente dos recursos tem sido invocado para explicar as relações biodiversidade-funcionamento do ecossistema (BFE). A fixação do dinitrogênio (N₂) por leguminosas é uma via amplamente aceita para melhorar a aquisição de N em comunidades de espécies diversas. No entanto, as relações entre EC positivo, fixação de N₂ e ciclagem de N no solo ainda são pouco compreendidas, especialmente em agroecossistemas.

Objetivo: Este estudo testou a hipótese de que o EC positivo aumenta a aquisição de nitrogênio (N), impulsionado pelo aumento da fixação de N₂ das leguminosas e pela ciclagem de N no solo em sistemas de consórcio.

Métodos: Utilizamos um experimento de campo de longo prazo (12 anos) de milho consorciado com leguminosas (feijão-fava, grão-de-bico e soja) e uma não leguminosa (canola) sob três doses de fósforo, e uma meta-análise, para explorar os principais processos para um EC positivo de aquisição de N em consórcio.

Resultados: O consórcio aumentou a produtividade de grãos e a aquisição de N em comparação com as monoculturas, com um aumento de 35,1% e 28,0% da produtividade média anual e da aquisição de N, respectivamente. Este ganho na aquisição de N (72 kg N ha⁻¹ em estudos de campo e 14 kg N ha⁻¹ em meta-análise) foi amplamente devido ao efeito de complementaridade (65 kg N ha⁻¹ em estudos de campo e 25 kg N ha⁻¹ na meta-análise), que foi significativamente correlacionado com o aumento da fixação de N₂ em sistemas de consórcio à base de leguminosas, tanto em estudos de campo quanto na meta-análise. Após 12 anos, a concentração de N no solo dos sistemas de consórcio foi 4,0–6,3% maior do que a das monoculturas, como resultado do aumento da fixação de N₂ e das atividades das enzimas de aquisição de N, o que explicou a complementaridade positiva tanto em sistemas à base de leguminosas quanto em sistemas sem leguminosas. No entanto, esses benefícios só foram observados nos anos posteriores. Fornecemos um mecanismo inovador de que um efeito de feedback positivo da diversidade de culturas sobre a fertilidade do solo aumenta o EC ao longo do tempo.

Conclusões: Nosso estudo demonstra que o EC aprimorado está relacionado à fixação de N₂ por leguminosas e a um efeito de feedback positivo da diversidade de culturas sobre a fertilidade do solo, o que destaca que o aumento da ciclagem de N no solo auxiliado pela diversidade de culturas pode fortalecer as relações BFE e aumentar a produtividade de grãos em uma escala decadal.

Implicações: Essas descobertas têm implicações importantes de que a introdução de leguminosas em ecossistemas manejados (por exemplo, terras agrícolas, pastagens ou sistemas agroflorestais) ou a seleção de combinações de espécies com diferentes grupos funcionais ao projetar ecossistemas com diversidade de culturas são abordagens promissoras para estabelecer ecossistemas manejados produtivos e sustentáveis.

Abstract

Context or problem
The complementarity effect (CE) that leads to more efficient utilization of resources has been invoked to explain the biodiversity-ecosystem functioning (BEF) relationships. Dinitrogen (N2) fixation by legumes is a widely-accepted pathway to enhance N acquisition in diverse species communities. However, the relationships among positive CE, N2 fixation, and soil N cycling are still poorly understood, especially in agroecosystems.
Objective or research question
This study tested the hypothesis that positive CE enhances nitrogen (N) acquisition, driven by increased N2 fixation of legumes and enhanced soil N cycling in intercropping systems.
Methods
We used a long-term (12 years) field experiment of maize intercropped with both legumes (faba bean, chickpea, and soybean) and a non-legume (oilseed rape) under three phosphorus application rates and a meta-analysis, to explore the main processes for a positive CE of N acquisition in intercropping.
Results
Intercropping increases grain yield and N acquisition compared with monocultures, with an increase of 35.1% and 28.0% of the average annual yield and N acquisition, respectively. This N acquisition gain (72 kg N ha−1 in field studies and 14 kg N ha−1 in a meta-analysis) was largely due to the complementarity effect (65 kg N ha−1 in field studies and 25 kg N ha−1 in the meta-analysis), which was significantly correlated with enhanced N2 fixation in legume-based intercropping systems, in both field studies and the meta-analysis. After 12 years, the soil N concentration of intercropping systems was 4.0–6.3% higher than that of monocultures as a result of enhanced N2 fixation and N-acquiring enzyme activities, which accounted for positive complementarity in both legume-based and non-legume-based systems. However, those benefits were only observed in later years. We provide a novel mechanism that a positive feedback effect of crop diversity on soil fertility enhances CE over time.
Conclusions
Our study demonstrates that enhanced CE is related to N2 fixation by legumes and a positive feedback effect of crop diversity on soil fertility which highlights that increasing soil N cycling aided by crop diversity may strengthen BEF relationships and enhance grain yield on a decadal scale.
Implications or significance
These findings have important implications that introducing legumes into managed ecosystems (e.g., cropland, pastures, or agroforestry) or selecting species combinations with different functional groups when designing crop diversity ecosystems are promising approaches to establishing productive and sustainable managed ecosystems.