Joint application of soil restoration practices and interactions

Abstract

Soil restoration strategies are integrated management practices to recover soil health and enhance plant growth without compromising future demands. Despite land management practices being generally well-studied , effects of joint application of soil restoration practices with more than three factors are rarely addressed. A main reason might be the complex interactions between individual practices, such as two-way interactions. Such interactions can be affected by the fluctuation of external environmental patterns and other additional restoration factors, making the joint effect hard to predict. This doctoral work investigates the joint effects of multiple restoration factors on soil properties and plant growth. First, a laboratory study explores the joint effects of restoration practices (up to 8) for different factor numbers. This experiment acts as a proof- of- concept study to investigate the multiple restoration practices effects on soil properties. Next, two climate chamber experiments investigate the joint effects of restoration amendments on soil properties and plant growth. These two experiments focus on the effect of factor diversity for restoration amendments. One experiment investigates the carbon diversity effects by applying five diverse organic amendments, while for the other experiment nine restoration amendments were allocated into three distinct functional groups according to their physicochemical properties and effect mechanisms- namely, organic , inorganic and bio-fertilizer amendments. Both experiments unravel the importance of jointly applying diverse restoration practices under well-watered conditions, whereas applying a single factor may result in better outcomes to address a specific challenge, such as drought stress. Last but not least, we conducted an experiment to investigate restoration effects on soil properties and the plant community. Previous laboratory works showed that, in contrast to multiple global change factors, a higher factor number often cannot result in better performance in comparison to single factors. Therefore, we assessed the full spectrum of all two factor combinations with replicates to investigate the pairwise interactions and diagnosed the interaction type. We found that an increasing factor number can enhance soil properties, such as soil water holding capacity and soil pH, whereas the plant community composition is influenced mainly by the dissimilarity between factors. Moreover, we showed that pairwise synergistic interactions may enhance plant growth. Together, this work reports findings of joint effects from multiple restoration practices with various analytical approaches across different scales. Our results offer valuable insights into the complex interactions under multiple restoration contexts and provide solid suggestions on integrated restoration strategies for farmers, researchers and decision makers.

Strategien zur Bodenrestauration sind integrierte Bewirtschaftungspraktiken zur Wiederherstellung der Bodengesundheit und zur Förderung des Pflanzenwachstums, ohne dabei zukünftige Anforderungen zu gefährden. Trotz umfangreicher Studien zu landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen werden die Auswirkungen der gemeinsamen Anwendung von mehr als drei Bodenrestaurationsfaktoren nur selten untersucht. Ein Hauptgrund hierfür könnten die komplexen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Maßnahmen sein, wie zum Beispiel Zwei-Faktoren-Interaktionen. Solche Interaktionen können durch Schwankungen in externen Umweltbedingungen und weiteren zusätzlichen Restaurationsfaktoren beeinflusst werden, was die Vorhersage gemeinsamer Effekte erschwert.

Diese Doktorarbeit untersucht die kombinierten Effekte mehrerer Restaurationsfaktoren auf Bodeneigenschaften und Pflanzenwachstum sowie deren Interaktionen. Zunächst wird in einer Laborstudie der kombinierte Einfluss von bis zu acht Restaurationspraktiken in unterschiedlichen Faktoranzahlen untersucht. Dieses Experiment dient als Machbarkeitsstudie, um die Effekte multipler Restaurationsmaßnahmen auf Bodeneigenschaften zu analysieren. Zur Initialisierung eines ausgeglichenen Kohlenstoffeintrags wurde Weizenstrohpulver entsprechend ergänzt, was jedoch zu einem unausgewogenen Stickstoffverhältnis führte und somit die tatsächlichen Restaurationswirkungen beeinflusste.

Anschließend wurden zwei Klimakammerexperimente durchgeführt, um die kombinierten Effekte von Restaurationszusätzen auf Bodeneigenschaften und Pflanzenwachstum zu untersuchen. Diese beiden Experimente konzentrieren sich auf den Effektbeitrag der Diversität zwischen den einzelnen Restaurationsmaßnahmen. Ein Experiment untersucht die Effekte der Kohlenstoffdiversität durch Anwendung von fünf unterschiedlichen organischen Zusätzen, während ein weiteres Experiment neun Restaurationsmaßnahmen drei funktionellen Gruppen – organische, anorganische und bio-fertilizer Gruppe – zuordnet. Beide Experimente zeigen die Bedeutung der gemeinsamen Anwendung diverser Restaurationspraktiken unter gut bewässerten Bedingungen auf, wohingegen die Anwendung eines Einzelfaktors in bestimmten Fällen, wie etwa bei Trockenstress, bessere Ergebnisse erzielen kann.

Abschließend wurde ein weiteres Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen der Restaurationsmaßnahmen auf Bodeneigenschaften und Pflanzengemeinschaften zu erfassen. Frühere Laborarbeiten zeigten, dass – im Gegensatz zu multiplen aktoren des globalen Wandels – eine höhere Faktoranzahl nicht zwangsläufig zu besseren Ergebnissen im Vergleich zu Einzelfaktoren führt. Daher wurde das gesamte Spektrum aller Zwei-Faktoren-Kombinationen mit Replikaten getestet, um die paarweisen Interaktionen zu analysieren und deren Interaktionstypen zu klassifizieren. Es zeigte sich, dass eine zunehmende Anzahl an Faktoren die Bodeneigenschaften, wie das Wasserspeichervermögen und den pH-Wert des Bodens, verbessern kann, während die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft hauptsächlich durch die dissimilarität der Faktoren beeinflusst wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass paarweise synergistische Interaktionen das Pflanzenwachstum fördern können.

Insgesamt liefert diese Arbeit Erkenntnisse über die kombinierten Effekte multipler Restaurationsmaßnahmen mittels verschiedener analytischer Ansätze auf unterschiedlichen Skalen. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die komplexen Interaktionen unter multiplen Restaurationskontexten und geben fundierte Empfehlungen für integrierte Restaurationsstrategien für Landwirte, Forschende und Entscheidungsträger.