Soil sustainability and arbuscular mycorrhizal fungi

Abstract

The main goal of this dissertation was to increase our understanding of the ecology of soil aggregation and the interaction of AMF with associated microbiota in the context of soil stability and soil C cycling. In Chapter 2 we performed a quantitative data synthesis (meta-analysis), in which we tested the general assumption that AMF positively influence soil aggregation and additionally tested 13 factors, which potentially influence effects of AMF on soil aggregate stabilization. For the meta-analysis we fitted individual random effects models for each variable. The overall mean effect of inoculation with AMF on soil aggregation was positive and predictor variable means were all in the range of beneficial effects. Pot studies and studies with sterilized sandy soil, near neutral soil pH, a pot size smaller than 2.5 kg and a duration between 2.2 and 5 months were more likely to result in stronger effects of AMF on soil aggregation than experiments in the field, with non-sterilized or fine textured soil or an acidic pH. This is the first study to quantitatively show that the effect of AMF inoculation on soil aggregation is positive and context dependent. In the first part of Chapter 3 we performed a sterile laboratory experiment using small in vitro bioreactors, in which we grew mycelium of Glomus intraradices in absence of roots and other living microorganisms. We showed that there is a direct causal link between AMF hyphae alone and the maintenance of soil aggregate stability. In the second part we tested if the broadly applied method of rotated hyphal in- growth cores has any side-effects that would hinder attributing effects to AMF. We set up an experiment with the presence/absence of AMF and a non-AMF microbial community, where each pot contained a rotated and a non-rotated soil core. The results showed that soil parameters such as water content, soil structure, pH, and C and N concentrations are not influenced by the regular rotation in the absence of AMF. Our study therefore clearly underlines the validity of the rotated hyphal in-growth core as an experimental control for AMF growth and activity. In Chapter 4 we experimentally tested the single and combined effects of AMF and a non-AMF microbial community on the decomposition of small wooden sticks and on soil aggregation. A hyphal compartment was installed to disentangle effects of roots and hyphae. While aggregation was increased similarly in all inoculated treatments, this study showed for the first time, that the presence of AMF can reduce the decomposition of recalcitrant plant litter. Both effects were independent of the additional inoculation of other microbes. We suggest that AMF inhibited the activity of decomposers of recalcitrant material, or provided an alternative preferred carbon source, leading to differential litter degradation. These findings contribute to understanding the interaction of AMF with other microorganisms in soil aggregation and could indicate an important role for AMF in soil C storage.

Das Ziel dieser Dissertation war es unser Verständnis der Ökologie der Bodenaggregation im Allgemeinen und der Interaktion von arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM-Pilze) mit anderen Mikroorganismen im Besonderen im Kontext der Bodenaggregation und des Bodenkohlenstoffkreislaufes zu erhöhen. In Kapitel 2 haben wir eine quantitative Analyse von Primärstudien (Meta- Analyse) durchgeführt, in der wir zunächst die allgemeine Annahme getestet haben, dass sich AM-Pilze positiv auf Bodenaggregation auswirken. Zusätzlich wurden 13 Faktoren getestet, die potentiell AM Effekte auf Bodenaggregatsstabilität beeinflussen können. Nach einer Literaturrecherche haben wir 35 Studien über AM-Pilze und Bodenaggregation einer Meta-Analyse unterzogen, indem wir einzelne Random-Effects-Modelle für jede Variable berechnet haben. Der mittlere Gesamt-Effekt der Inokulation mit AM-Pilzen auf Bodenaggregation sowie die Mittelwerte der Einflussvariablen waren positiv. Topfversuche und Studien mit sterilisiertem sandigen Boden, neutralem Boden- pH, einer Topfgröße kleiner 2,5 kg und einer Versuchsdauer zwischen 2,2 und 5 Monaten führen eher zu stärkeren Effekten von AM-Pilzen auf Bodenaggregation als Feldversuche mit nicht sterilisiertem, feinkörnigen oder saurem Boden. Dies ist die erste Untersuchung die quantitativ zeigt, dass der Effekt von AM- Inokulation auf Bodenaggregation positiv und kontextabhängig ist. Im ersten Teil von Kapitel 3 haben wir in einem sterilen Laborversuch in kleinen in vitro Bioreaktoren ein Myzel von Glomus intraradices räumlich getrennt von Wurzeln und ohne andere lebende Mikroorganismen wachsen lassen. Wir konnten zeigen, dass es einen direkten kausalen Zusammenhang zwischen AM-Pilzhyphen allein, d.h. in Abwesenheit anderer Mikroorganismen, und dem Erhalt von Bodenaggregatsstabilität gibt. Im zweiten Teil des Kapitels haben wir getestet, ob die weitverbreitete Methode der rotierten Hyphenkompartimente Nebeneffekte hat, die sich auf das Zuordnen von Effekten der AM-Pilze auswirken könnten. Wir haben ein Experiment mit der Anwesenheit und Abwesenheit von AM-Pilzen und einer nicht-AM mikrobiellen Lebensgemeinschaft aufgesetzt, bei dem jeder Topf ein gedrehtes und ein nicht gedrehtes Kompartiment enthielt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Bodenparameter wie Wassergehalt, Bodenstruktur, pH und C und N Konzentrationen in Abwesenheit von AM-Pilzen nicht durch das regelmäßige Drehen beeinflusst werden. Diese Studie unterstreicht daher die Gültigkeit und Nützlichkeit der Methode als experimentelle Kontrolle für AM-Pilzwachstum und -aktivität. In Kapitel 4 haben wir mit einem Experiment die einzelnen und kombinierten Effekte von AM- Pilzen und einer nicht-AM mikrobiellen Lebensgemeinschaft auf Bodenaggregation und den Abbau kleiner Holzstäbchen getestet. Zur Unterscheidung von Hyphen- und Wurzeleffekten haben wir ein Hyphenkompartiment eingesetzt. Die Bodenaggregation stieg gleichmäßig in allen inokulierten Behandlungen an. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von AM-Pilzen die Zersetzung eines abbauresistenten Pflanzenmaterials reduziert. Beide Effekte waren unabhängig von der Inokulation anderer Mikroorganismen. Wir vermuten, dass die AM-Pilze die Aktivität von Abbauorganismen persistenten Materials unterbunden haben, oder dass die AM-Pilze eine alternative Kohlenstoffquelle zur Verfügung gestellt haben, was zu unterschiedlichem Streuabbau geführt hat. Diese Erkenntnisse tragen zu unserem Verständnis der Interaktion von AM-Pilzen mit anderen Mikroorganismen in der Bodenaggregation bei und könnten darauf hinweisen, dass AM-Pilze eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung im Boden spielen.