Soil compaction and insect pollination modify impacts of crop rotation on nitrogen fixation and yield

Pollination and biological nitrogen fixation are key ecosystem services, but their contribution to agricultural production might be influenced by simplified crop rotation and soil compaction, two factors known to limit yield. In a greenhouse experiment, we investigated the combined effect of crop rotation, soil compaction, and insect pollination on yield formation and on the contribution of biological fixation to nitrogen acquisition of faba bean. Seed yield was reduced under high soil compaction, and under ley rotation management and it was enhanced by insect pollination. For plants grown in soil from the ley rotation, insect pollination increased individual seed weight by 50% suggesting a contribution to seed quality by pollination for crop grown in soils where nutrients are limiting yield. Crop monoculture and high soil compaction interactively reduced the contribution of nitrogen fixation by 30%, suggesting that soil compaction exacerbates the negative effect of monoculture on nitrogen fixation.Overall the results revealed that interactive effects of management factors do affect nutrient acquisition. We provide evidence that reduced soil quality affect the capacity of legumes to deliver key ecosystem services to the agroecosystem.

ZusammenfassungBestäubung und biologische Stickstofffixierung sind wichtige Ökosystemleistungen, aber ihr Beitrag zur landwirtschaftlichen Produktion könnte durch vereinfachte Fruchtfolge und Bodenverdichtung beeinflusst werden, zwei Faktoren, die den Ertrag begrenzen. In einem Gewächshaus untersuchten wir experimentell den gemeinsamen Effekt von Fruchtfolge, Bodenverdichtung und Bestäubung durch Insekten auf den Ertrag und auf den Beitrag der biologischen Fixierung zum Stickstofferwerb der Ackerbohne. Der Samenertrag war bei hoher Bodenverdichtung und bei Fruchtfolge mit Grünbrache reduziert, während er durch Insektenbestäubung erhöht wurde. Bei Pflanzen, die in Erde aus der Brachenfruchtfolge wuchsen, erhöhte Insektenbestäubung das individuelle Samengewicht um 50%, was nahelegt, dass Bestäubung bei Böden mit limitierendem Nährstoffangebot einen Beitrag zur Samenqualität leistet. Monokultur und hohe Bodenverdichtung reduzierten gemeinsam den Beitrag der Stickstofffixierung um 30%. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass interagierende Effekte von Managementfaktoren den Nährstofferwerb beeinflussen. Wir erbringen den Nachweis, dass reduzierte Bodenqualität die Fähigkeit von Leguminosen beeinflusst, entscheidende Ökosystemleistungen für Agrarökosysteme zu erbringen.