Mobilization of phosphorus contributes to positive rotational effects of leguminous cover crops on maize grown on soils from northern Nigeria

Abstract

Previous research has demonstrated a positive rotational effect of tropical leguminous cover crops on maize growth on a luvisol from Nigeria. This effect could not be explained by a better N supply. The objective of the present work was to further clarify whether improved P nutrition has been a contributing factor. Nine cover crops and maize were studied in nutrient solution-culture with 1 and 20 μM P and with NO3-N as N source for root physiological parameters that may affect P mobilization. Zea mays, Lablab purpureus, and Centrosema pubescens responded to P deficiency by higher rates of proton excretion. Clitoria ternatea excreted OH— with only small differences due to P nutrition. At low P supply, Chamaecrista rotundifolia, Clitoria, and Centrosema had the highest exudation rates of organic acid anions, especially citrate and malate. A major difference between plant species was found in root-surface acid phosphatase activity. Cajanus cajan expressed the highest phosphatase activity. Vmax of P uptake increased markedly under P deficiency, particularly for maize. Compared to the other plant species Cajanus, Chamaecrista, and Clitoria were characterized by a greater capability to absorb P at low external P concentrations. The nine cover crops and maize were also grown in pot experiments using two soils from northern Nigeria low in available P. The ultisol from Jos had a high P fixation capacity and was more acidic than the alfisol from Zaria. All plant species were precultured in the first season at 100 (Zaria) and 250 (Jos) mg P per pot. In the subsequent season, maize was uniformly seeded into all pots containing the remaining roots and the incorporated shoot dry mass (according to 15 mg P per pot) of the pre-crop. No P and 250 (Zaria) or 500 (Jos) mg P per pot were freshly applied. Maize growth and P uptake were enhanced after legumes in Zaria soil. Cajanus showed the highest residual effect, and also Clitoria, Chamaecrista, and Lablab showed effects superior to the mean. In Jos soil, Clitoria, Cajanus, and Lablab enhanced maize growth above average. Also, a highly significant positive correlation between P uptake and biomass production was obtained. These results indicate that enhancement of maize growth after leguminous cover crops, at the low P supply of the soil used, mainly depends on P mobilization capacity of the cover crop. Mobilisierung von P ist mitverantwortlich für die positive Vorfruchtwirkung von Leguminosen im Maisanbau auf Böden in Nord-Nigeria In vorhergehenden Untersuchungen konnte eine positive Vorfruchtwirkung von tropischen Leguminosen im Maisanbau auf einem Luvisol in Nord-Nigeria gezeigt werden. Diese Wirkung war unabhängig von der N-Versorgung. Ziel der hier dargestellten Versuche war es, weitergehend zu klären, ob eine verbesserte P-Versorgung mitverantwortlich für die positive Vorfruchtwirkung der Leguminosen zu Mais war. Neun Leguminosen und Mais wurden in Nährlösungskultur mit 1 oder 20 μM P und NO3— als N-Quelle im Hinblick auf wurzelphysiologische Parameter der P-Effizienz charakterisiert. Zea mays, Lablab purpureus und Centrosema pubescens reagierten auf P-Mangel mit einer erhöhten Abgabe von Protonen. Clitoria ternatea schied OH— aus, bei nur geringen Unterschieden in Abhängigkeit vom P-Angebot. Chamaecrista rotundifolia, Clitoria und Centrosema zeigten bei P-Mangel die höchste Ausscheidungsrate von organischen Säureanionen, insbesondere Citrat und Malat. Große Unterschiede bestanden zwischen den Pflanzenarten in der Phosphatase-Aktivität an der Wurzeloberfläche. Cajanus cajan zeigte die höchste Phosphatase-Aktivität. Die maximale P-Aufnahmerate (Vmax) war bei P-Mangel deutlich erhöht, insbesondere bei Mais. Cajanus, Chamaecrista und Clitoria zeichneten sich im Vergleich zu den anderen Pflanzenarten durch eine größere Fähigkeit aus, P bei niedrigen Konzentration der Außenlösung aufzunehmen. Die neun Leguminosen und Mais wurden auch in Gefäßversuchen mit zwei P-armen Böden aus Nord-Nigeria kultiviert. Der Ultisol aus Jos wies eine wesentlich höhere P-Fixierungskapazität und einen niedrigeren pH-Wert auf als der Alfisol aus Zaria. Alle Pflanzenarten wurden im ersten Jahr bei einem P-Angebot von 100 (Zaria) oder 250 (Jos) mg P pro Gefäß kultiviert. Im zweiten Jahr wurde einheitlich Mais in den Gefäßen mit den verbliebenen Wurzelrückständen und eingearbeiteter Sprosstrockenmasse der Vorkultur (entsprechend 15 mg P pro Gefäß) angebaut. Kein P bzw. 250 (Zaria) oder 500 (Jos) mg P pro Gefäß wurden frisch appliziert. Im Boden aus Zaria waren das Wachstum und die P-Aufnahme von Mais nach Leguminosenvorfrucht verbessert. Cajanus wies die beste Vorfruchtwirkung auf, auch Clitoria, Chamaecrista und Lablab wirkten sich überdurchschnittlich positiv aus. Im Boden aus Jos förderten insbesondere Clitoria, Cajanus und Lablab das Wachstum von Mais. Zwischen der P-Aufnahme und der Biomassenbildung von Mais bestand eine hoch signifikante positive Korrelation. Die Ergebnisse zeigen, dass die positive Vorfruchtwirkung von den verwendeten Leguminosen bei niedrigem P-Angebot des Bodens insbesondere von deren P-Mobilisierungsvermögen abhängt.

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