Winter cover crop legacy effects on litter decomposition act through litter quality and microbial community changes

• Published in: The Journal of applied ecology Vol. 56; no. 1; pp. 132 - 143
• Main Authors: Barel, Janna M., Kuyper, Thomas W., Paul, Jos, de Boer, Wietse, Cornelissen, Johannes H. C., De Deyn, Gerlinde B.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford Wiley 01.01.2019; Blackwell Publishing Ltd
• Subjects: Agricultural practices; Aspalathus linearis; Avena sativa; Biomass; Bodembiologie; Bodembiologie en biologische bodemkwaliteit; Carbon cycle; carbon cycling; Chair Soil Biology and Biological Soil Quality; Cichorium endivia; Communities; Correlation; Cover crops; Crop residues; Crop rotation; Cropping sequence; Cropping systems; Crops; Decomposition; endive; fallow; Fertility; Filter paper; Foreign languages; Leerstoelgroep Bodembiologie en biologische Bodemkwaliteit; legacy effects; Lignin; lignin content; Litter; microbial biomass; microbial communities; microbial community composition; Microbiomes; Microorganisms; Monoculture; Nitrogen; nitrogen content; nitrogen cycling; Nutrient cycles; oats; Organic matter; Organic soils; PE&RC; Quality; Rate constants; RESEARCH ARTICLE; Residues; soil; Soil Biology; Soil Biology and Biological Soil Quality; Soil conditions; Soil fertility; Soil improvement; Soil microorganisms; Soil organic matter; Soil properties; Soil quality; Soils; standardised substrates; Substrates; Tea; Winter; winter cover crop
• ISSN: 0021-8901; 1365-2664
• DOI: 10.1111/1365-2664.13261

In agriculture, winter cover crop (WCC) residues are incorporated into the soil to improve soil quality, as gradual litter decomposition can improve fertility. Decomposition rate is determined by litter quality, local soil abiotic and biotic properties. How these factors are interlinked and influenced by cropping history is, however, unclear. We grew WCC monocultures and mixtures in rotation with main crops Avena sativa (oat) and Cichorium endivia (endive) and tested how crop rotation influences WCC litter quality, abiotic and biotic soil conditions, and litter decomposition rates. To disentangle WCC litter quality effects from WCC soil legacy effects on decomposition, we tested how rotation history influences decomposition of standard substrates and explored the underlying mechanisms. In a common environment (e.g. winter fallow plots), WCC decomposition rate constants (k) correlated negatively with litter C, lignin and, surprisingly, N content, due to strong positive correlations among these traits. Plots with a history of fast‐decomposing WCCs exhibited faster decomposition of their own litters as well as of the standard substrates filter paper and rooibos tea, as compared to winter fallow plots. WCC treatments differentially affected soil microbial biomass, as well as soil organic matter and mineral nitrogen content. WCC‐induced soil changes affected decomposition rates. Depending on the main crop rotation treatment, legacy effects were attributed to biomass input of WCCs and their litter quality or changes in microbial biomass. Synthesis and applications. These results demonstrate that decomposition in cropping systems is influenced directly through crop residues, as well as through crop‐induced changes in soil biotic properties. Rotation history influences decomposition, wherein productive winter cover crops (WCC) with low lignin content decompose fast and stimulate the turnover of both own and newly added residues via their knock‐on effect on the soil microbial community. Thus, WCC have promise for sustainable carbon‐ and nutrient‐cycling management through litter feedbacks. Foreign Language In landbouw worden plantenresten van wintergroenbemesters in de bodem ondergewerkt om bodemkwaliteit te verbeteren. De afbraaksnelheid van groenbemesterstrooisel en het daarbij vrijkomen van voedingsstoffen wordt bepaald door strooiselkwaliteit en lokale abiotische en biotische bodemomstandigheden. Echter is het onduidelijk hoe al deze factoren worden beïnvloed door gewasrotatie. In een veldexperiment werden verschillende winterse groenbemesters verbouwd in monoculturen en mengsels, in rotatie met hoofdgewassen Avena sativa (haver) en Cichorium endivia (andijvie). De invloed van gewasrotatie op de kwaliteit van groenbemesterstrooisel, lokale abiotische en biotische bodemparameters en strooiselafbraaksnelheid werd getest. Om bovendien onderscheid te kunnen maken tussen effecten van strooiselkwaliteit en veranderingen in bodemomstandigheden, werden effecten van gewasrotatie ook getoetst op de afbraak van standaard substraten (filterpapier en rooibosthee). In eenzelfde omgeving, zonder specifieke groenbemestergeschiedenis (voormalig winter braak), waren afbraaksnelheden van groenbemesterstrooisels negatief gecorreleerd met concentraties van koolstof‐ (C), lignine‐, en tegen de verwachtingen in, stikstof‐ (N) in het strooisel. Dit resultaat werd verklaard door de onderlinge positieve correlaties tussen N, C en lignine. In vergelijking met voormalig winter braakvelden, toonden proefvelden met een geschiedenis van snel afbrekende groenbemesters een snellere decompositie van zowel eigen strooisels als ook van de standaard substraten. De verschillende erfeniseffecten op afbraaksnelheid konden worden gerelateerd aan de effecten van de groenbemesters op de bodem microbiële biomassa, bodem organische stof en minerale stikstofgehalten. Afhankelijk van het hoofdgewas, konden de erfeniseffecten worden toegeschreven aan de hoeveelheid plantenresten van de groenbemesters, de kwaliteit hiervan, alsmede aan veranderingen in de microbiële biomassa, maar niet aan veranderde abiotische bodemfactoren. Synthese en toepassing. Deze resultaten tonen aan dat decompositie in landbouwsystemen direct wordt beïnvloed door gewasresten en de bodem erfeniseffecten op biotische bodemomstandigheden. De volgorde van gewassen beïnvloedt afbraak, waarbij productieve groenbemesters met snel afbrekende strooisels de decompositie van nieuw materiaal stimuleren via de microbiële bodemgemeenschap en vrijgekomen stikstof. Winterse groenbemesters zijn daarom veelbelovende middelen om C‐ en N‐kringlopen duurzaam te beheren door middel van strooisel‐feedback. These results demonstrate that decomposition in cropping systems is influenced directly through crop residues, as well as through crop‐induced changes in soil biotic properties. Rotation history influences decomposition, wherein productive winter cover crops (WCC) with low lignin content decompose fast and stimulate the turnover of both own and newly added residues via their knock‐on effect on the soil microbial community. Thus, WCC have promise for sustainable carbon‐ and nutrient‐cycling management through litter feedbacks.