In this post, Janna Barel shares thoughts on the legacies plants leave, the benefits of cover crops and insights from her recent Journal of Applied Ecology paper, Legacy effects of diversity in space and time driven by winter cover crop biomass and nitrogen concentration.

Janna has also included a Dutch translation of this post. Journal of Applied Ecology is dedicated to making papers more accessible and increasing engagement with those in the region of the study. We encourage authors to write dual-language posts to increase the international relevance and real-world impact.

After the death of a beloved, the funeral arrangement and last good byes, the reading of the testament is an unavoidable item on the to-do-list. Unnerving, revealing or confronting as it can be, plants don’t fare any better. After a life with ups and downs, in company or solitude, plants are put to rest in the soils which supported them during their lifetime. Leaving their last will and testament encrypted in the earth, for whomever inherits the humble patch of soil the former plant called home. Whether this legacy will be a beneficial or detrimental deal for the following plant obviously depends on the legacy content as well as on the relationship between testator and legatee. The ability to predict these legacies is an important goal in order to understand and apply these plant legacy effects, for example to make agriculture more sustainable.

What do plant legacies consist of?

Plant-soil feedback studies have identified pathways through which previous plants influence the next. The first half of a plants’ testament consists of direct interactions between plants and soil organisms which shapes the inheritance of plant mutualists and enemies. Soil born pests and diseases can linger in the soil, affecting the growth of a succeeding plant if this appears to be a good host. Mutualists, such as mycorrhizal fungi and nitrogen-fixing bacteria, collaborate with the plant and promote growth. The second half of the testament comprises recycling of plant residues. Decomposition of dead plant material provides following plants with a steady release of nutrients available for growth, with the rate release depending on plant chemical properties and biological soil activity.

Farmers are aware of these plant legacies and aim to incorporate them in crop rotations, yet deciding on the optimal rotation remains challenging.

How do you choose the sequence of plants in rotation?

In order to choose, you need to know what legacy is left behind by different plant species. Such studies are currently lacking for agroecosystems. From natural grasslands we know that plant traits shape the plant-soil feedback effects. We also know that on average plants growing in mixtures with other plant species are generally more productive due to lower disease pressure and/or better use of soil resources such as soil nitrogen  than plants growing in monocultures. This suggests that also diversity in space can be beneficial to create more positive legacy effects as compared to legacy effects of monocultures. Therefore we set out to test how diversity in time and space influences the legacy of cover crops on the following main crop, and how farmers can select which crops to include. The experiment consisted of three phases: a summer, a winter and again a summer season. We alternated oat and endive with six winter cover crop treatments. The legacy effects of the winter cover crops were compared with the effects of winter fallow. The legacy effects of the winter cover crop traits were tested for soil properties and productivity of the succeeding oat and endive crop. Biomass and nitrogen concentration of winter cover crops proved important criteria. Moreover, when considering diversity in time, sequential growth of closely related crops should be avoided: Oats confronted with a history of English ryegrass or preceding oats, was less productive compared to oats growing on field with a different history. Also, both oats and endive preferred a history of cover crops over a winter fallow. In general, it is better to grow any cover crop than none at all but most benefit can be gained by choosing the best species mixture.

By mixing winter cover crops, we tested if the mixture legacies exceeded more than the sum of parts. Indeed, combining fodder radish with vetch increased the biomass of the mixture beyond the expected productivity without a penalty for the nitrogen content, which was as expected based on the monoculture performance of these species. Moreover the number of plant-feeding nematodes in the soils with a radish-vetch legacy did not increase along with the productivity. Possibly because host-plants are harder to find in mixtures. This makes radish-vetch mixtures interesting for bio-control of nematodes. In contrast, mixing English ryegrass with white clover did not have such beneficial effects. The productivity was similar to the expectation and the nitrogen concentration of the mixture was lower than expected. The legacy effect of the mixtures was clearly reflected in the productivity of oat. A history of radish-vetch resulted in oats overyielding, whereas oats productivity on former grass-clover plots was lower than expected.

With our publication, we agree with recommendations of FAO to included cover crops in rotations, on top of that they open new avenues for the design of good species mixtures.

Our advice: chose a mixture of winter cover crops which is productive and high in nitrogen, and avoid the succession of closely related crops.

Barel et. al’s full paper, Legacy effects of diversity in space and time driven by winter cover crop biomass and nitrogen concentration is available in the Journal of Applied Ecology.

This research was supported by NWO-ALW Vidi.

---

Testament van wintergroenbemesters

Na de dood van een geliefde, begrafenis en het laatste afscheid, behoort het openbaren van het testament ook tot de gang van zaken. Hoe confronterend, onthullend dat ook mag zijn; planten vergaat het net zo. Na een bewogen leven, in eenzaamheid of gezelschap, vinden planten hun laatste rustplaats in de bodem die hen voortbracht. Hun laatste wens ligt vastgelegd in diezelfde aarde: het testament van een plant. Of de erfenis positief uitpakt voor de erfgenaam hangt uiteraard af van de inhoud ervan, evenals de relatie tussen erflater en erfgenaam. Het voorspellen van plantenerfenissen is van belang bij toepassingen in bodemmanagement, in het bijzonder voor het verduurzamen van landbouw.

Waaruit bestaat de erfenis van een plant eigenlijk?

De erfenis van planten wordt bestudeerd in plant-bodem feedback onderzoek. Dit onderzoek laat zien dat plantenerfenissen bestaan uit bodemorganismen en voedingstoffen. Een plantennalatenschap van bodemgebonden ziekteverwekkers en plaagorganismen, zoals aaltjes, remmen de groei van volgende planten. Tegelijkertijd kunnen bodemorganismen waar de plant mee samenwerkt, zoals mycorrhiza schimmels en stikstofbindende bacteriën (rhizobia), de groei van volgende planten juist ondersteunen. Voedingstoffen die door een vorige plant uit de bodem zijn onttrokken zijn niet meer beschikbaar voor de volgende plant. Terwijl de afbraak van dood plantenmateriaal die voedingstoffen weer doet vrijkomen. Zo worden wintergroenbemester in de landbouw ingezet om te voorkomen dat voedingsstoffen met het grondwater uit de bodem spoelen. De wintergroenbemesters nemen deze voedingsstoffen op, en worden daarom ook wel ‘vanggewas’ genoemd. Door de groenbemesters onder te ploegen worden de opgenomen voedingsstoffen weer gerecycled en komen beschikbaar voor de volgende plant. De snelheid waarmee voedingstoffen vrijkomen is afhankelijk van de chemische samenstelling van het plantenmateriaal.  Bovendien is van een aantal groenbemesters bekend dat ze schadelijke plantenetende aaltjes kunnen onderdrukken. Met het toepassen van wintergroenbemesters kan een boer profiteren van de erfenis van planten. De boer is eigenlijk de notaris als het gaat om de afwikkeling van de erfenis van de gewassen.

Hoe kies je welke planten elkaar opvolgen?

Om te kunnen kiezen welke gewassen elkaar moeten opvolgen voor een succesvolle rotatie is kennis nodig van de erfenissen van verschillende plantensoorten. In wetenschappelijke literatuur ontbraken tot voorkort studies die verschillende rotatie volgorde testten. “Terwijl we weten dat plant-bodem feedback effecten verschillen tussen plantensoorten, en afhankelijk zijn van planteigenschappen.” vertelt promovendus Janna Barel, refererend aan het onderzoek van voormalig promovendus Cortois (Cortois et al. 2016). Onder leiding van Gerlinde De Deyn, zette ze samen met collega’s een twee-jarig veldexperiment op. “In ons recente artikel gepubliceerd in Journal of Applied Ecology tonen we aan dat productiviteit van het hoofdgewas wordt gestimuleerd door gedurende de voorgaande  winter wintergroenbemesters te verbouwen die productief zijn en een hoog stikstofgehalte hebben.”

Het experiment bestond uit drie fases: opeenvolgende zomer, winter en zomer. Daarin wisselde de onderzoekers haver of andijvie af met 6 wintergroenbemesterbehandelingen. De effecten van de erfenis van de groenbemesters werden vergeleken met die van winter-braak. Er werd daarbij gelet op de eigenschappen van de wintergroenbemesters, effecten op de bodem en op de productiviteit van haver en andijvie gedurende het laatste groeiseizoen. Biomassa en stikstofgehalte van de wintergroenbemesters bleken belangrijke selectie criteria. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat opeenvolging van nauw verwante gewassen vermeden moet worden. “Haverplanten op velden met een geschiedenis van Engels raaigras of voormalig haver, deden het veel slechter dan haverplanten groeiend op velden met een andere geschiedenis.” Ook bleek dat het verbouwen van wintergroenbemesters beter is voor de haver en andijvie productiviteit dan het braak laten liggen van het land. Met andere woorden: diversiteit door de tijd is goed voor productiviteit.

Bijzonder aan het onderzoek is dat ook antwoord werd gezocht op de vraag: welke plantenmengsels zijn succesvol?

In natuurlijke ecosystemen is een combinatie van plantensoorten meestal productiever dan soorten die alleen groeien. Bovendien helpen buurplanten elkaar met de afweer tegen ziekten en plaagorganismen. Door groenbemesters te mengen werd onderzocht of een mengsel meer op kan leveren dan de som der delen. De erfeniseffecten van de mengsels bleek afhankelijk van de soorten in het mengsel. De combinatie bladrammenas-voeder wikke bleek productiever dan mag worden verwacht op basis van de monoculturen van de twee soorten, zonder dat dit ten koste ging aan het stikstof-gehalte. Het aantal plantenetende aaltjes steeg niet mee met de productiviteit van het mengsel. Mogelijk komt dat omdat waardplanten in mengsels moeilijker te vinden zijn. Dit maakt het rammenas-wikke mengsel interessant om populaties van plantenetende aaltjes onder controle te houden. Het mengsel Engels raaigras-witte klaver pakte minder goed uit. De productiviteit bleef gelijk aan de verwachting, en de stikstofconcentratie was zelfs lager dan verwacht. De erfenis van de mengsels was duidelijk terug te zien in de productiviteit van haver. Haver op voormalig bladrammenas-wikke velden was veel productiever dan de verwachtingswaarde, terwijl haver geconfronteerd me de erfenis van gras-klaver minder productief was dan het gemiddelde van de monocultures. Diversiteit in ruimte (mengsels) kan productiviteit stimuleren, mits de soorten goed gekozen zijn.

Waarom is dit onderzoek belangrijk?

Van de landbouw wordt verwacht dat het de wereld voedt met minder kunstmest en bestrijdingsmiddelen. Door onderzoek te doen naar natuurlijke interacties kunnen er duurzame antwoorden worden gevonden op de voedselvraagstukken.

Met hun publicatie onderschrijven de onderzoekers de adviezen van FAO en Nederlandse overheid (Dijksma 2014) om wintergroenbemesters op te nemen in gewasrotaties en bieden bovendien perspectieven voor het ontwikkelen van goede groenbemestermengsels. Hun wetenschappelijke conclusie: kies voor productieve mengsels met een hoog stikstof gehalte, en vermijd de opeenvolging van verwante gewassen.

Het onderzoek werd ondersteund via subsidie van NWO-ALW Vidi

De volledige publicatie Barel et. al. Legacy effects of diversity in space and time driven by winter cover crop biomass and nitrogen concentration is beschikbaar bij Journal of Applied Ecology.