The Effects of Northern Forage Crop Species on the Soil Carbon Sequestration and Microbial Community Structure

Abstract

Nurmimaiden maaperän hiilensidonta on oleellinen osa matkalla kohti hiilineutraalia maidontuotantoa. Monivuotiset nurmikasvit kasvattavat maaperän hiilivarastoa sitomalla hiilidioksidia ilmakehästä biomassaansa ja juuristonsa kautta osaksi maaperän substraatteja, eliöstöä ja mineraaliyhdisteitä. Juurieritteiden avulla kasvit muokkaavat ja säätelevät ympärillään olevaa mikrobiyhteisöä, mutta tietämys mikrobien ja kasvien välisen yhteistyön vaikutuksista erityisesti pohjoisten nurmimaiden hiilensidontaan on vielä verrattain rajallista. Tutkielmassani kysyn, miten nurmiviljelykasvit (ruokonata, timotei, puna-apila) ja niiden yhdistelmä (timotei ja puna-apila) vaikuttavat satoon ja juuribiomassaan, maaperän hiiliprosenttiin, sieni:bakteeri-suhteeseen sekä mikrobien lajidiversiteettiin ja rakenteeseen. Tutkimus toteutettiin osana Luonnonvarakeskuksen (Luke) Kestävyyttä Nurmesta -tutkimushanketta. Tutkimusasetelma sijaitsi Luken Maaningan tutkimusasemalla, josta keräsin näytteet. Selvitin maaperän mikrobiyhteisön rakenteen määrittämällä bakteerien ja sienien lajiston DNA-sekvensoinnilla Ion Torrent PGM -laitteistolla ja biomassan rasvahappoanalyysillä, sekä maaperän hiiliprosentin hehkutusjäännöksestä. Lisäksi Luke toimitti sato- ja juuribiomassa-aineiston. Tutkittavista lajeista puna-apila vaikutti edistävän maaperän hiilensidontaa sen kohonneen juuribiomassan ja paalujuuren ansiosta. Lisäksi puna-apila lisäsi sieniyhteisön Ascomycetes-sienten määrää, mikä voi vaikuttaa positiivisesti hiilen stabilointiin. Vaikka ruokonatan satotulos oli merkittävä, sen juuribiomassa ja maaperän hiiliprosentti eivät vastanneet odotuksia. Tutkimus loi kuvaa pohjoisten mikrobiyhteisöjen rakenteesta ja korosti nurmikasvien, kuten puna-apilan, potentiaalia nurmipeltojen maaperän hiilensidonnan edistämisessä pohjoisilla maatalousmailla. Lisää tutkimusta asian ympäriltä kuitenkin tarvitaan.

Grasslands play an essential role in Finnish agriculture, and carbon sequestration into the arable soils is suggested to be key to carbon-neutral milk production. Perennial grasslands can enhance soil carbon storage by influencing their surrounding microbiota through their root exudates. However, the soil microbial dynamics can be complex, and more research is needed to understand these processes in the cultivated grasslands in the distinctive northern conditions. In this study, I investigated the effects of different forage crop species (tall fescue, timothy, red clover) and their mixture (timothy + red clover) on yield and root biomass, soil carbon percent (C%), fungal:bacterial (F:B) -ratio, soil microbial diversity, and soil microbial community structure. The study was conducted as a part of the ‘Sustainability from the Grasslands’ research project by the Natural Resources Institute (Luke), funded by European Agricultural Fund for Rural Development. The cultivation was set up at the Luke Maaninka research station, where the sampling was carried out. The soil microbial community structure was identified using Ion Torrent PGM DNA sequencing, microbial biomass was estimated using PLFA-biomarkers, and C% was measured by loss-of-ignition. Additionally, Luke provided crop yield and root biomass data and comparative soil carbon measurement. Red clover stood out as a prominent contributor to carbon sequestration, particularly due to its substantial root biomass and extensive tap root system. Additionally, red clover showed soil stabilizing potential by increased abundance of Ascomycetes in the fungal community. While tall fescue topped the yield charts, its root biomass and soil C% did not meet the expectations. The study highlighted the potential of the forage crop species, like red clover, in enhancing soil carbon storage in northern grasslands. Further research is still needed to delve deeper into the mechanisms through which these crops influence soil microbial communities and, in turn, carbon sequestration.