Evaluation of microbial biomass C and N content of the soils cultivated with vetch (Vicia sativa L.) and alfalfa (Medicago sativa L.)

Abstract

Fiğ (Vicia sativa L.) ve yonca (Medicago sativa L.) ekimi yapılan toprakların mikrobiyal biyokütle C ve N içeriklerinin değerlendirilmesi

Özet: Baklagil yem bitkileri köklerindeki simbiyotik Rhizobium bakterileri ile havadaki serbest azotu bağlayabilme yeteneğine sahiptirler. Diğer taraftan, toprağın canlı bir bileşeni olan ve bitki besin maddesi dinamiğinde çok önemli bir faktör olarak bilinen mikrobiyal biyokütle (MB), toprakların biyolojik durumu hakkında iyi bir gösterge olarak kabul edilmektedir. Bu noktadan hareket edilerek, bu çalışmada farklı baklagil yem bitkilerine ait toprakların MB C (Cmic) ve N (Nmic) içerikleri araştırılmıştır. Fiğ ve yonca yem bitkisi ekili alanlara ait toprakların bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla hacim silindirleri (0 – 6,5 cm derinlik) ile toprak örneği alınmıştır. MB C ve N içeriklerini belirlemek için 0 – 6,5 cm derinlikten üst toprak örnekleri alınmıştır. Cmic ve Nmic içerikleri kloroform-fumigasyon-ekstraksiyon yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Fiğ ve yonca alanlarında toprakların tane yoğunluğu, hacim ağırlığı, tuzluluk, % CaCO3 ve C/N oranı arasında istatistiksel farklılık bulunmamaktadır (P > 0,05). Diğer bazı toprak özellikleri (sıcaklık, gözenek hacmi, kum, toz ve kil içerikleri, pH, organik C ile toplam N) istatistiksel farklılık göstermiştir (P < 0,05). Toprakların Cmic içeriğinin yonca ekili alanda (YEA) fiğ ekili alandan (FEA) % 27 oranında fazla (P < 0,05) olduğu ortaya çıkmıştır. Toprakların Nmic içerikleri, FEA 83,38 µg g-1 ile 124,67 µg g-1, YEA 91,62 µg g-1 ile 187,07 µg g-1 arasında değişim göstermiştir. YEA toprakların ortalama Nmic içerikleri FEA yaklaşık % 35 oranında fazladır ve aralarında önemli (P < 0,05) istatistiksel bir fark vardır. Ayrıca, toprakların hem Cmic ile organik C içeriği (r = 0,667; P < 0,05), hem de Nmic ile toplam N içeriği arasında (r = 0,881; P < 0,01) pozitif ve önemli bir ilişki olduğu tespit edilmiştir. Çalışma sonuçları farklı yem bitkisi üretimi yapılan topraklarda Cmic ve Nmic değerlerinin farklı olduğunu ortaya çıkarmıştır. Ayrıca, elde edilen toprak mikrobiyal biyokütle C ve N sonuçları, yonca ekimi yapılan toprakların fiğ ekimi yapılan topraklara göre C ve N bakımından daha zengin olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Cmic, mikrobiyal biyokütle, Nmic, tarım alanı, yem bitkisi

Evaluation of microbial biomass C and N content of the soils cultivated with vetch (Vicia sativa L.) and alfalfa (Medicago sativa L.)

Abstract: Legume forage crops have the ability of retaining free nitrogen in the air through symbiotic Rhizobium bacteria found in their roots. Additionally, microbial biomass (MB)–an essential living component of soil and a significant factor influencing plant nutrient dynamics–is considered to be accurate indicator of soil’s biological condition. Given the aforementioned aspects, soil MB C (Cmic) and MB N (Nmic) of different legume forage crops were investigated in this study. Soil samples were taken in order to identify certain physical and chemical characteristics of the soil using volume cylinders (0 – 6.5 cm depth) from Vicia sativa L. (VSP) and Medicago sativa L. planted (MSP) areas. To determine the Cmic and Nmic contents, topsoil samples were also taken from 0 – 6.5 cm depth. Cmic and Nmic contents were identified using chloroform – fumigation – extraction method. There was no statistical significance for particle density, bulk density, electrical conductivity, CaCO3 %, and decomposition ratio (Corg/Ntotal) of the VSP and MSP soil (P > 0.05). However, some other soil characteristics such as temperature, porosity, sand, silt and clay contents, pH, organic C and total N differed significantly (P < 0.05). Compared to VSP soil, the Cmic contents were determined to be 27 % higher (P < 0.05) in MSP soil. In VSP soil, the soil Nmic content ranged from 83.38 µg g-1 to 124.67 µg g-1, while it ranged from 91.62 µg g-1 to 187.07 µg g-1 in MSP soil. The Nmic content of the MSP soil was observed to be approximately 35 % higher than VSP soil, and a statistically significant difference (P < 0.05) was noticed between the two. Moreover, a significant positive correlation was found not only between the Cmic and organic C contents (r = 0.667; P < 0.05) but also between the Nmic and total N contents of MSP and VSP soil (r = 0.881; P < 0.01). The results of the study revealed that soil Cmic and Nmic values differ as the types of planted legume forage crops change. Furthermore, the obtained soil Cmic and Nmic results indicate that soil MSP soil is more fertile than VSP soil.

Keywords: Cmic, microbial biomass, Nmic, agricultural area, forage crops

Received (Geliş tarihi): 15.04.2015 - Revised (Düzeltme tarihi): 14.05.2015 -   Accepted (Kabul tarihi): 18.05.2015

To cite this article: Bolat, İ., Şensoy, H., Özer, D., 2016. Fiğ (Vicia sativa L.) ve yonca (Medicago sativa L.) ekimi yapılan toprakların mikrobiyal biyokütle C ve N içeriklerinin değerlendirilmesi. Journal of the Faculty of Forestry Istanbul University 66(1): 244-255. DOI: 10.17099/jffiu.01945

Keywords

• -

Fiğ (Vicia sativa L.) ve yonca (Medicago sativa L.) ekimi yapılan toprakların mikrobiyal biyokütle C ve N içeriklerinin değerlendirilmesi

Abstract

Baklagil yem bitkileri köklerindeki simbiyotik Rhizobium bakterileri ile havadaki serbest azotu bağlayabilme yeteneğine sahiptirler. Diğer taraftan, toprağın canlı bir bileşeni olan ve bitki besin maddesi dinamiğinde çok önemli bir faktör olarak bilinen mikrobiyal biyokütle (MB), toprakların biyolojik durumu hakkında iyi bir gösterge olarak kabul edilmektedir. Bu noktadan hareket edilerek, bu çalışmada farklı baklagil yem bitkilerine ait toprakların MB C (Cmic) ve N (Nmic) içerikleri araştırılmıştır. Fiğ ve yonca yem bitkisi ekili alanlara ait toprakların bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla hacim silindirleri (0 – 6,5 cm derinlik) ile toprak örneği alınmıştır. MB C ve N içeriklerini belirlemek için 0 – 6,5 cm derinlikten üst toprak örnekleri alınmıştır. Cmic ve Nmic içerikleri kloroformfumigasyon-ekstraksiyon yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Fiğ ve yonca alanlarında toprakların tane yoğunluğu, hacim ağırlığı, tuzluluk, % CaCO3 ve C/N oranı arasında istatistiksel farklılık bulunmamaktadır (P > 0,05). Diğer bazı toprak özellikleri (sıcaklık, gözenek hacmi, kum, toz ve kil içerikleri, pH, organik C ile toplam N) istatistiksel farklılık göstermiştir (P < 0,05). Toprakların Cmic içeriğinin yonca ekili alanda (YEA) fiğ ekili alandan (FEA) % 27 oranında fazla (P < 0,05) olduğu ortaya çıkmıştır. Toprakların Nmic içerikleri, FEA 83,38 µg g-1 ile 124,67 µg g-1 , YEA 91,62 µg g -1 ile 187,07 µg g-1 arasında değişim göstermiştir. YEA toprakların ortalama Nmic içerikleri FEA yaklaşık % 35 oranında fazladır ve aralarında önemli (P < 0,05) istatistiksel bir fark vardır. Ayrıca, toprakların hem Cmic ile organik C içeriği (r = 0,667; P < 0,05), hem de Nmic ile toplam N içeriği arasında (r = 0,881; P < 0,01) pozitif ve önemli bir ilişki olduğu tespit edilmiştir. Çalışma sonuçları farklı yem bitkisi üretimi yapılan topraklarda Cmic ve Nmic değerlerinin farklı olduğunu ortaya çıkarmıştır. Ayrıca, elde edilen toprak mikrobiyal biyokütle C ve N sonuçları, yonca ekimi yapılan toprakların fiğ ekimi yapılan topraklara göre C ve N bakımından daha zengin olduğunu göstermektedir.

Keywords

• Cmic, mikrobiyal biyokütle, Nmic, tarım alanı, yem bitkisi

References

1. Açıkgöz, E., 1988. Annual forage legumes in the arid and semi-arid regions of Turkey, Nitrogen Fixation by Legumes. In Mediterranean Agriculture Developments in Plant and Soil Sciences 32: 47–54, doi:10.1007/978-94-009-1387-5_6.
2. Altunışık, R., Çoşkun, R., Yıldırım, E., Bayraktaroğlu. S., 2002. Sosyal Bilimlerde Araştırma Yöntemleri SPSS Uygulamalı. Geliştirilmiş 2. Basım, Sakarya Kitapevi, Sakarya Üniversitesi, Sakarya.
3. Alvear, M., Rosas, A., Rouanet, J.L. Borie, F., 2005. Effects of three soil tillage systems on some biological activities in an Ultisol from southern Chile. Soil and Tillage Research 82(2): 195–20, doi:10.1016/j.still.2004.06.002.
4. Anderson, J.P.E., Domsch, K.H., 1973. Quantification of bacterial and fungal contribution to soil respiration. Archives of Microbiology 93: 113–127, doi:10.1007/BF00424942.
5. Anderson, J. M., Ingram. J.S.I., 1996. Tropical Soil Biology and Fertility A Handbook of Methods. 2nd Edition, Cab International, Wallingford.
6. Arunachalam, A., Arunachalam, K., 2000. Influence of gap size and soil properties on microbial biomass in a subtropical humid forest of north-east India. Plant and Soil 223: 185–193. doi:10.1023/A:1004828221756
7. Bastida, F., Moreno, J.L., Hernández, T. García, C., 2007. The long-term effects of the management of a forest soil on its carbon content, microbial biomass and activity under a semi-arid climate. Applied Soil Ecology 37(1): 53–62, doi:10.1016/j.apsoil.2007.03.010.
8. Bauhus, J. Khanna, P.K., 1999. The significance of microbial biomass in forest soils. In: Rastin, N., Bauhus, J. (Eds.), Going Underground - Ecological Studies in Forest Soils, Research Signpost, Trivandrum, India, pp. 77–110.

9. Bending, G. D., Putland, C., Rayns, F., 2000. Changes in microbial community metabolism and labile organic matter fractions as early indicators of the impact of management on soil biological quality. Biology and Fertility of Soils 31(1): 78–84, doi: 10.1007/s003740050627.
10. Blake, G.R., 1965. Particle density. In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis, Part 1. Physical and Mineralogical Methods, Agronomy Monograph 9, American Society of Agronomy-Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin, USA, pp. 371–373.
11. Bolat, İ., 2007. Farklı Arazi Kullanım Biçimlerinin Toprağın Mikrobiyal Biyokütle Karbon (Cmic) ve Azot (Nmic) İçeriğine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, ZKÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Mühendisliği Anabilim Dalı, Bartın.
12. Bouyoucos, G.J., 1962. Hydrometer method improved for making particle size analyses of soils. Agronomy Journal 54: 464–465, doi:10.2134/agronj1962.00021962005400050028x.
13. Brady, N., 1990. The Nature and Properties of Soils 10th edition, Macmillan, New York.
14. Brookes, P., 2001. The Soil Microbial Biomass: Concept, Measurement and Applications in Soil Ecosystem Research. Microbes and Environments 16 (3): 131–140, doi.org/10.1264/jsme2.2001.131.
15. Brookes, P.C., Landman, A., Pruden, G., Jenkinson, D.S., 1985. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid extraction metod to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry 17: 837–842, doi:10.1016/0038-0717(85)90144-0.
16. Brookes, P.C., Powlson, D.S., Jenkinson. D.S., 1984. Phosphorus in the soil microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry 16: 169–175, doi:10.1016/0038-0717(84)90108-1.
17. Chen, C.R., Condron, L.M., Davis, M.R., Sherlock, R.R., 2000. Effects of afforestation on phosphorus dynamics and biological properties in a New Zealand grassland soil. Plant and Soil 220: 151–163, doi:10.1023/A:1004712401721.
18. Christensen, B.T., 1996. Matching measurable soil organic matter fractions with conceptual pools in simulation models of carbon turnover: revision of model structure. In: Powlson, D.S., Smith, P., Smith, J.U. (Eds.), Evaluation of Soil Organic Matter Models Using Existing Long-Term Datasets. Global Environmental Change. Springer Berlin, pp. 143– 160.
19. Cleveland, C.C., Townsend, A.R., Constance, B.C., Ley, R.E., Steven, K.S., 2004. Soil microbial dynamics in Costa Rica: Seasonal and Biogeochemical Constraints. Biotropica 36 (2): 184–195, doi:10.1111/j.1744- 7429.2004.tb00311.x.
20. Cocks, P.S., 1993. Legumes from the Mediterrenean basin: A continuing source of agricultural wealth for Southern Australia. Technical paper No. 1 CLIMA, Perth, Australia.
21. Coyne, M.S., Thompson, J.A., 2006. Fundamental soil science. Delmar Learning, Clifton Park, New York.
22. Crews, T.E., Peoples, M.B., 2004. Legume versus fertilizer sources of nitrogen: ecological tradeoffs and human needs. Agriculture, Ecosystems and Environment 102(3): 279–297, doi:10.1016/j.agee.2003.09.018.
23. Çepel, N., 1996. Toprak ilmi. İÜ Yayın No 3945, Orman Fakültesi Yayın No: 438, Ders Kitabı: 288, İstanbul.
24. Davis, P.H., 1970. Flora of Turkey and the east Aegean Islands, Vol. 3, Edinburgh University Press, Edinburgh.
25. Diaz-Ravina, M., Acea, M.J., Carballas, T., 1993. Microbial biomass and its contribution to nutrient concentration in forest soils. Soil Biology and Biochemistry 25 (1): 25–31, doi:10.1016/0038-0717(93)90237-6.
26. Eruz, E., 1979. Toprak tuzluluğu ve bitkiler üzerindeki genel etkileri. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi B29(2): 112–120.
27. García-Orenes, F., Guerrero, C., Roldán, A., Mataix-Solera, J., Cerdá, A., Campoy, M., Zornoza. R,, Bárcenas, G., Caravaca, F., 2010. Soil microbial biomass and activity under different agricultural management systems in a semiarid Mediterra-nean agroecosystem. Soil and Tillage Research 109: 110–115, doi:10.1016/j.still.2010.05.005.
28. Gülçur, F., 1974. Toprağın Fiziksel ve Kimyasal Analiz Metodları. Kutulmuş Matbaası, İÜ Yayın No. 1970, Orman Fakültesi Yayın No: 201, İstanbul.
29. Irmak, A., 1954. Arazide ve Laboratuvarda Toprağın Araştırılması Metodları. İÜ Yayın No. 559, Orman Fakültesi Yayın No: 27, İstanbul.
30. Jenkinson, D.S., Ladd, J.N., 1981. Microbial Biomass in Soil Measurement and Turnover. In: Paul, E.A., Ladds, J.N. (Eds.), Soil Biochemistry, Vol 5, Marcel Dekker, Newyork, pp. 415–471.
31. Jenkinson, D.S., 1988. The determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil. In: Wilson, J.R. (Ed.), Advances in Nitrogen Cycling in Agricultural Ecosystems, CAB, Wallingford, pp. 368–386.
32. Kacar, B., 1996. Bitki ve Toprağın Kimyasal Analizleri, III. Toprak Analizleri. AÜ Ziraat Fak. Eğitim, Araştırma ve Geliştirme Vakfı Yayınları No: 3, Ankara.
33. Kantarcı, M.D., 2000. Toprak İlmi, İstanbul Üniversitesi Toprak İlmi ve Ekoloji Anabilim Dalı, İstanbul Üniversitesi Yayın No: 4261, Orman Fakültesi Yayın No: 462, Ders Kitabı: 420, İstanbul.
34. Lupwayi, N.Z., Haque, I., 1998. Mineralization of N, P, K, Ca and Mg from sesbania and leucaena leaves varying in chemical composition. Soil Biology and Biochemistry 30: 337–343, doi:10.1016/S0038-0717(97)00132-6.
35. Marinari, S., Mancinelli, R., Campiglia, E., Grego, S., 2006. Chemical and biological indicators of soil quality in organic and conventional farming systems in Central Italy. Ecological Indicators 6(4): 701–711, doi:10.1016/j.ecolind.2005.08.029.
36. Moore, J.M., Klose, S., Tabatabai, M.A., 2000. Soil microbial biomass carbon and nitrogen as affected by cropping systems. Biology and Fertility of Soils 31(3–4): 200–210, doi:10.1007/s003740050646.
37. Özbek, H., Kaya, Z., Gök, M., Kaptan, H., 2001. Toprak Bilimi. ÇÜ Ziraat Fakültesi Genel Yayın No: 73, Ders Kitapları Yayın No: A-16, 5. Baskı, Adana.
38. Özdamar, K., 1999. Paket Programları ile İstatistiksel Veri Analizi SPSS MINITAP. İkinci Baskı, Kaan Kitapevi, Eskişehir.
39. Parkinson, D., Coleman, D.C., 1991. Microbial communities, activity and biomass. Agriculture, Ecosystems and Environment 34: 3–33, doi:10.1016/0167-8809(91)90090-K.
40. Patel, K., Nirmal, Kumar, J. I., N. Kumar, R., Kumar, Bhoi, R., 2010. Seasonal and temporal variation in soil microbial biomass C, N and P in different types land uses of dry deciduous forest ecosystem of Udaipur, Rajasthan, Western India. Applied Ecology and Environmental Research 8(4): 377–390.
41. Plaster E J 1992. Soil Science and Management. 2nd Edition. Delmar Publishers Inc., Albany, New York, USA.
42. Raiesi, F., 2006. Carbon and N mineralization as affected by soil cultivation and crop residue in a calcareous wetland ecosystem in Central Iran. Agriculture, Ecosystems and Environment 112(1): 13–20.
43. Raiesi, F., 2007. The conversion of overgrazed pastures to almond orchards and alfalfa cropping systems may favor microbial indicators of soil quality in Central Iran. Agriculture, Ecosystems and Environment 121(4): 309–318, doi:10.1016/j.agee.2006.11.002.
44. Roldan, A., Garcia‐Orenes, F., Albaladejo, J., 1994. Microbial populations in the rhizosphere of Brachypodium retusum and their relationship with stable aggregates in a semiarid soil of southeastern Spain. Arid Land Research and Management 8(2): 105–114, doi: 10.1080/15324989409381384.
45. Rowell, D.L., 1994. Soil Science Methods and Applications. Longman Scientific and Technical, Singapore.
46. Schloter, M., Dilly, O., Munch, J.C., 2003. Indicators for evaluating soil quality. Agriculture, Ecosystems and Environment 98: 255–262, doi:10.1016/S0167-8809(03)00085-9.
47. Sharma, P., Rai, S.C., Sharma, R., Sharma, E., 2004. Effects of land-use change on soil microbial C, N and P in a Himalayan watershed. Pedobiologia 48: 83–92, doi:10.1016/j.pedobi.2003.09.002.
48. Singh J S, Raghubanshi A S, Singh R S & Srivastava S C (1989). Microbial biomass acts as a source of plant nutrients in dry tropical forest and savanna. Nature 338: 499–500, doi:10.1038/338499a0.
49. Smith, J.L., Paul, E.A., 1990. The significance of soil microbial biomass estimations. In: Bollag, J.M., Stotzky, G. (Eds.), Soil Biochemistry, Marcel Dekker, New York, pp. 357–396.
50. Sparling, G.P., 1997. Soil microbial biomass, activity and nutrient cycling as indicators of soil health. In: Pankhurst, C., Doube, B.M., Gupta, V.V.S.R. (Eds.), Biological Indicators of Soil Health, CAB International, Wallingford, pp. 97–119.
51. Sumner, M.E., 1995. Sodic soils: new perspectives. In: Naidu, R., Sumner, M. E., Rengasamy, P., (Eds.), Australian Sodic Soils: Distribution, Properties and Management, CSIRO, Melbourne, pp. 1–34.
52. Tunlid, A., White, D.C., 1992. Biochemical analysis, community structure, nutritional status and metabolic activity of microbial communities in soil. In: Stotzky, G., Bollag, J.M. (Eds.), Soil Biochemistry, volume 7. Marcel Dekker, New York, pp. 229–262.
53. Uluocak, N., 1984. Toprak koruması ve yem niteliği bakımından Türkiye'nin önemli doğal otlak bitkileri, II Baklagiller. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Yayın No: 358, İstanbul.
54. Vance, E.D., Brookes, P.C., Jenkinson. D.S., 1987. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry 19: 703–707, doi:10.1016/0038-0717(87)90052-6.
55. Walkley, A., Black, A.I., 1934. An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science 37: 29–38, doi:10.1097/00010694- 193401000-00003.
56. Wright, A.L., Hons, F.M., Jr-Matocha, J.E., 2005. Tillage impacts on microbial biomass and soil carbon and nitrogen dynamics of corn and cotton rotations. Applied Soil Ecology 29: 5–92, doi:10.1016/j.apsoil.2004.09.006.