Effect of Arbuscular mycorrhizal fungi and biochar on soil seed bank viability

Abstract

Summary Soil seed banks are considered essential constituents of plant communities, since they contribute significantly to ecological processes. The seed bank is composed of all viable seeds that are in the soil and litter. Seeds of species forming seed banks must be viable for long periods of time. This requires extended periods of dormancy, thus ensuring viability and persistence in the seed bank until conditions are favorable for germination. There are a lot of factors that affect the survival of the seeds in the soil including type of seeds, chemical and physical soil characteristics and other soil characteristics like soil microorganisms, including arbuscular mycorrhizal fungi. Biochar can be used a soil amendment to improve soil properties, fertility and to foster long-term carbon storage in soil. However, applied at high concentrations, biochar in soil can have uncertain consequences, especially on the survival of seeds in the seed bank. The main objective of this thesis was therefore to i) assess how AM fungi influence seed viability in the soil seed bank; ii) determine impacts of biochar on viability of seeds; iii) test different types of feedstock of biochar and application rates;iv) study the joint effect of both AM fungi and biochar on the survival of the seeds in soil seed bank. For these objectives, we carried out a series of experiments: For objective i) We conducted greenhouseand field experiments to examine the seeds of three herbaceous plant species (Taraxacum officinale, Dactylis glomerata, and Centaurea nigra) under mesocosm (experiment 1 and 2) and field conditions (experiment 3). To allow only hyphae to grow in and to inhibit root penetration, paired Root Exclusion Compartments (RECs) were used in experiments 2 and 3, which were either rotated (interrupted mycelium connection) or kept static (mycorrhizal connection). After harvesting, seeds viability, water content,available phosphorous, soilpH and hyphal length in soil was measured. We have found a significant relationship between AM fungi and viability of seeds of different species,was observed in experiments 1 and 3, but not in experiment 2. All three experiments showed that water content, soil pH and AMF extraradical hyphal lengths were increased in presence of AM fungi, but available P were decreased significantly. Therefore, the results suggest that viability of seeds in soil seeds bank correlated negatively with water content, soil pH, AMF extra radical hyphal lengths and soil P availability. For objective ii)We carried out another greenhouse experiment,in this experiment we studied the effect of two types of biochar (from peanut shell pellets and plant twigs) at different addition rates (control, 1%, 5% and 10%, v/v) on the viability of three types of plant seeds (T. officinale, D. glomerata and C. nigra). We observed a significant increase of the viability of D. glomerata and T.officinale seeds at 1% and 5% biochar addition compared to the control and 10% biochar. This may be due to the difference in seed coat thickness in the seed species that were studied. Applied at high doses, biochar may have detrimental effects on viability of C. nigra seeds. Our results indicate that low doses of biochar may have positive impacts on seed viability in the soil, while the reverse may be true for high doses. These results may have important implications for restoration effects employing biochar. For objective iii)In this part we built on the results of the first experiment and second objective, to study the combined effect of biochar and AM fungi on seed viability, in the field. The goal of the study was to determine effects of biochar on seed viability and to evaluate interactions of biochar and AM fungi on seed viability and plant performance and to identify underlying mechanisms. In a field experiment, we investigated the effect of biochar at different addition rates (control, 1%, 5% and 10% v/v) with or without AM fungi on seed viability of T. officinale, D. glomerata and C. nigra. We observed a positive interaction between biochar and AM fungi on seed viability in C nigra, added as a single treatment biochar had a positive effect on seed viability in all species, but seed viability in T. officinale and D. glomerata was not affected by AM fungi. High doses of biochar had a negative effect on seed viability in T. officinale and D. glomerata, but at similar doses had a positive impact in C. nigra We demonstrated that AM fungi had a negative impact on soil seed viability,and this is caused probably through indirect effects i.e. by changing soil physicochemical properties through the absorption of nutrients such as phosphorus. The results of these experiments indicate that the presence of biochar may reduce seed mortality in some species but not in others. Interactions AM fungi with these materials should become a future focus of biochar research.

Zusammenfassung Bodensamenbanken sind wesentliche Bestandteile von Pflanzengemeinschaften, da sie einen wichtigen Beitrag zu ökologischen Prozessen liefern. Die Samenbank ist die Summe aller lebensfähigen Samen, die im Boden und in der Streu vorkommen.Diese Samen müssen für längere Zeit lebensfähig bleiben. Diese Samen persisitieren in der Samenbank bis günstige Bedingungen für die Keimung vorhanden sind. Es gibt eine Menge von Faktoren, die das Überleben der Samen im Boden beeinflussen: dies schließt ein die Art des Saatguts, chemische und physikalische Bodeneigenschaften und andere Bodeneigenschaften, wie beispielsweise Bodenmikroorganisme, inklusive arbuskulärer Mykorrhizapilze. Die Biokohle ist bekannt als Produkt für die Bodenverbesserung. Bodeneigenschaften, Fruchtbarkeit und langfristige Speicherung von Kohlenstoff im Boden können verbessert werden bie Biokohle- Zugabe. Allerdings könntenhohe Konzentration von Biokohle im Boden auch negative Auswirkungen haben. Das Hauptziel dieser Arbeit war es daher, i) zu beurteilen, wie AM-Pilze die Samenlebensfähigkeit in der Bodensamenbank beeinflussen; ii) zu bestimmen wie sich Biokohle auf die Lebensfähigkeit von Samen auswirkt; iii) Effekte von Biokohlenmenge und –art zu untersuchen; iv) die gemeinsame Auskwirkung von AM Pilzen und Pflanzenkohle auf das Überleben von den Samen in Samenbank zu untersuchen. Für diese Ziele führten wir eine Reihe von Experimenten durch, sowhl im Feld als auch im Gewächshaus. Zum Einsatz kamen drei krautigen Pflanzenarten (T. officinale, D. glomerata, und C. nigra). Es konnte wiederholt ein negativer Effekt von AM Pilzen auf die Lebensfähigkeit von Samen im Boden beobachtet werden. Hierzu wurden auch korrelativ einige Variablen gemessen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Lebensfähigkeit der Samen in der Bodensamenbank negativ mit Wassergehalt, Boden-pH, AMF extraradikalen Hyphenlängen und Verfügbarkeit von Boden-P korreliert ist. Wir führten einen weiteren Gewächshausversuch duch mit zwei Arten von Pflanzenkohle (aus Erdnussschale Pellets und Pflanzenzweige) bei verschiedenen Zugabemengen (Kontrolle, 1%, 5% und 10%, v / v) durch, ebenfalls mit den gleichen drei Arten von Pflanzensamen (T. officinale, D. glomerata und C. nigra). Wir beobachteten eine signifikante Steigerung der Lebensfähigkeit von D. glomerata und T. officinale Samen bei 1% und 5% Biokohle im Vergleich zur Kontrolle und zu 10% Pflanzenkohle. Bei hohen Dosierungen kam es zu einer nachteiligen Auswirkung auf die Lebensfähigkeit von C. nigra Samen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass niedrige Dosen von Biokohle positive Auswirkungen auf die Samenlebensfähigkeit im Boden haben, während höhere Dosen schädlich sein können. Diese Ergebnisse können wichtige Implikationen für denEinsatz von Biokohle haben. Im letzten Teil Teil haben wir die kombinierte Wirkung von Biokohle und AM Pilzen im Feld untersucht, und imWesentlichen Ergebnisse erzielt, die die der vorigen Studien bestätigten.