Beneficial microbial activity supporting sustainable agriculture

Väitös: Viljelytoimilla voidaan vahvistaa peltomaan hyödyllistä mikrobiaktiivisuutta – vaikutuksia kasvitauteihin, satoon ja hiilensidontaan

Maatalouden tuottavuus on parantunut huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Maailman elintarviketuotanto on yli kolminkertaistunut intensiivisen kasvintuotannon avulla. Ruokaturvan parantumisen ohella myös ympäristöongelmat ovat lisääntyneet. Globaalin väestömäärän kasvun vuoksi ruoantuotantoa on kuitenkin edelleen tehostettava. Tämä väitöskirja kytkeytyy kasvintuotannon kestävään tehostamiseen ja viljelyn resilienssin parantamiseen. Työssä tarkasteltiin viljelytoimenpiteiden vaikutuksia maaperän mikrobiyhteisöihin ja niiden tuottamiin ekosysteemipalveluihin. Erityisesti keskityttiin mahdollisuuksiin parantaa peltomaan mikrobiston tautisuppressiivisuutta (kyky tukahduttaa maalevintäisiä kasvitauteja) ja keräsienijuurisienten (AMF Arbuscular Mycorrhizal Fungi) esiintymistä peltomaan keskeisten viljelytoimenpiteiden avulla (muokkaustapa, kasvimonimuotoisuus). Lisäksi selvitettiin maaperän eri hiilifraktioiden määrää ja sijoittumista maaprofiilissa. Tavoitteena oli myös tunnistaa käyttökelpoisia mittareita hyödyllisen maaperän mikrobitoiminnan ja laadun seurantaan. Tutkimuksissa hyödynnettiin kenttäkokeita ja pitkäaikaisten eri tavalla muokattujen peltolohkojen parivertailua.

Maaperän mikrobiston kyky tukahduttaa tautisieniä (fungistasis) ja yleinen tautisuppressiivisuus vahvistuivat pitkäaikaisissa kokeissa, kun kynnön sijasta perusmuokkausta kevennettiin tai siitä luovuttiin (suorakylvö). Tulosta ei voitu yleistää tiettyyn käsittelyyn, mutta se voitiin yhdistää korkeaan maaperän mikrobiston ja sienten biomassaan sekä maaperän labiilin hiilen pitoisuuteen. Tulosten perusteella maan tautisuppressiivisuuden vahvistuminen vähensi testipatogeenin (punahome F. culmorum) ilmaantuvuutta kevätviljoissa, mikä mahdollisesti vaikuttaa sadontuottoon. Isäntäkasvien mykotrofia vaihteli huomattavasti tutkittujen erikoiskasvien välillä. Satokasvin mykotrofialla oli voimakas vaikutus maaperän keräsienijuurisienen (AMF) esiintymiseen. Maaperän mikrobiyhteisöjen olosuhteita voitiin muunnella valitsemalla sopiva maanmuokkaus- ja kasvivalikoima ja vaikuttaa mikrobiston ekosysteemipalvelujen tehokkuuteen. Vähäisen maanmuokkauksen osoitettiin muuttavan hiilijakeiden vertikaalista jakautumista ja keräävän maaperän orgaanisen kokonaishiilen, labiilin hiilen (POM-C) ja mikrobiomassan hiilen maaperän ylimpään kerrokseen.

Kenttähavainnot vahvistivat, että kasvien taudinaiheuttajien yleistä tukahduttavuutta voitaisiin vahvistaa viljelytoimenpiteillä, vaikka yksittäisen toimenpiteen vaikutukset eivät välttämättä liity suoraan ja yleisesti taudin tukahduttamiskykyyn. Vaikutuksia sieniyhteisöön ja sadontuottokykyyn olisi tarkasteltava käytetyn kasvinvuorottelun suhteen. Kasvinvuorottelulla ja maanmuokkaus-menetelmän valinnalla on potentiaalisesti yhdistetty vaikutus maaperän hiilensidontaan. Maaperän mikrobiologisissa ekosysteemipalveluissa tarvitaan yksinkertaisia maan laadun mittareita kestävän maatalous- 8 tuotannon kehittämiseksi ja seurantaan. Maaperän tautisuppressiivisuuden voimakkuutta pystyttiin luotettavasti arvioimaan yksinkertaisella laboratoriotestillä. Labiili hiili (POM-C, Cmic) osoittautui potentiaaliseksi indikaattoriksi tautisuppressiivisuudelle. Solukalvon lipidimääritykset (PLFA, NLFA) osoittautuivat toimiviksi mittareiksi AMF:n biomassan arvioimiseen peltomaassa. Viljelytoimenpiteillä osoitettiin olevan merkittävä vaikutus peltomaan mikrobiston yhteisörakenteelle ja toimintaan. Näiden tulosten valossa on ehdottoman tärkeää ottaa huomioon koko maaperän mikrobiomin toimivuus kestävän maatalouden toimintatapojen suunnittelussa ja tuotannon kestävässä tehostamisessa.

——————————————————————————————————————————–

Agricultural productivity has improved significantly in recent decades. World food production has more than tripled through intensive crop production. In addition to improved food production and safety, environmental problems have also increased. However, due to global population growth, food production needs to be further intensified. This thesis is related to the sustainable intensification of crop production and the improvement of crop resilience. The study examined the effects of agricultural management practices on soil microbial communities and the ecosystem services they provide. In particular, the possibilities to improve the plant disease suppression of field microbiota and appearance of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) by tillage methods and crop diversity were in focus. In addition, the amount and location of different carbon fractions in the soil profile were investigated. The aim was also to identify useful indicators for beneficial soil microbial activity for soil quality monitoring. The studies utilized the field experiments and a cross-site comparison of several long-term tillage fields.

The ability of soil microbiota to suppress fungi (fungistasis) and general disease suppression was often enhanced by the long-term reduced and no-tillage practices, compared with conventional mouldboard ploughing. The result could not be generalized to specific management but could be linked to the higher biomass of soil microbiota and fungi as well as the soil labile carbon content. Based on the results, the strengthening of soil disease suppression was reflected in lower prevalence of the test pathogen (F. culmorum) in the cereals, suggesting an impact on crop production. Reduced tillage was shown to alter the vertical distribution of carbon fractions and accumulate soil organic carbon (SOC), labile carbon, and microbial biomass in the topsoil layer. However, the SOC sequestration in the whole soil profile was not necessarily increased. Mycotrophy of host plants varied considerably between the special plants studied. Mycotrophy of the crop plant had a strong effect on the concentration of AMF in the rhizosphere and bulk soil.

Field observations confirmed that the ecosystem services of microbiota could be enhanced by the choice of agricultural management although the effects of a specific management method may not be directly and generally related to the activity. The effects on the fungal community and crop performance should be considered in relation to the crop sequence used. In addition to this, potentially, single management practices have a combined effect on soil health. Soil microbiological ecosystem services need simple indicators to be used in developing and monitoring sustainable agricultural production. The intensity of disease suppression in the soil could be reliably assessed by a simple laboratory test. Soil labile carbon (POM-C, Cmic) is potentially a useful indicator for disease suppression. Cell membrane lipid assays (PLFA, NLFA) proved to be effective indicators for estimating AMF biomass in arable soil. Cultivation measures were shown to have a significant impact on the community structure and function of the field microbiota. In the light of these results, it is absolutely essential to take into account the functionality of the whole soil microbiome in the design of sustainable intensification of agricultural management practices.