Effects of mulching for water conservation on soil carbon, nitrogen and biological properties

Abstract

The effect of mulching with straw, white plastic film and black plastic film for improving soil water storage and on the soil properties was examined in a wheat-maize rotation system on Loess soil in northwestern China. All the mulches improved the water storage to some extent and led to warmer soils. However, the organic C and total N contents of the soils declined significantly under the mulches, particularly the plastic film mulches, and this could have long-term detrimental effects on soil quality and the sustainability of the some mulching practices.

Keywords

biomass / carbon / mulch / nitrogen / plastic films / soil / straw / water storage

References

[1] Tilman D, Balzer  C, Hill J ,  Befort B L . Global food demand and the sustainable intensification of agriculture. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(50): 20260–20264

[2] Zhang F, Chen  X, Vitousek P . Chinese agriculture : an experiment for the world. Nature, 2013, 497(7447): 33–35

[3] Godfray H C J ,  Beddington J R ,  Crute I R ,  Haddad L ,  Lawrence D ,  Muir J F ,  Pretty J ,  Robinson S ,  Thomas S M ,  Toulmin C . Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 2010, 327(5967): 812–818

[4] de Fraiture C ,  Wichelns D ,  Rockstrm J ,  Kemp-Benedict E ,  Eriyagama N ,  Gordon L J ,  Hanjra M A ,  Hoogeveen J ,  Huber-Lee A ,  Karlberg L . Looking ahead to 2050: scenarios of alternative investment approaches. In: Molden D, ed. Water for food, water for life: a comprehensive assessment of water management in agriculture. London: International Water Management Institute, 2007, 91–145

[5] Dahiya R, Ingwersen  J, Streck T . The effect of mulching and tillage on the water and temperature regimes of a loess soil: experimental findings and modelling. Soil & Tillage Research, 2007, 96(1–2): 52–63

[6] Zhang S, Lövdahl  L, Grip H ,  Tong Y, Yang  X, Wang Q . Effects of mulching and catch cropping on soil temperature, soil moisture and wheat yield on the Loess Plateau of China. Soil & Tillage Research, 2009, 102(1): 78–86

[7] Wang H, Liu  Q R, Zhang  S Y, Shen  J Y, Zhao  D D, Yu  J P, Li  Q Q. Grain yield and soil water content of super-high-yield summer maize under straw mulching. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(5): 261–264 (in Chinese)

[8] Tao Z, Li  C, Li J ,  Ding Z, Xu  J, Sun X ,  Zhou P, Zhao  M. Tillage and straw mulching impacts on grain yield and water use efficiency of spring maize in Northern Huang-Huai-Hai Valley. Field Crops Research, 2015, 3(5): 445–450

[9] Wang J, Zhang  J, Xu X ,  Zhang X ,  Zhu F. Effect of plastic film mulching on soil fertility. Journal of Shenyang Agricultural University, 1992, 23(Z9): 32–37 (in Chinese)

[10] Li S P, Cai  Z C, Yang  H, Wang J K . Effects of long-term fertilization and plastic film covering on some soil fertility and microbial properties. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(5): 2489–2498 (in Chinese)

[11] Steiner J L. Tillage and surface residue effects on evaporation from soils. Soil Science Society of America Journal, 1989, 53(3): 911–916

[12] Li S, Xiao  L. Distribution and management of drylands in the People’s Republic of China. Advances in Soil Science, 1992, 18(3): 147–302

[13] Baumhardt R L ,  Jones O R . Residue management and tillage effects on soil water storage and grain yield of dryland wheat and sorghum for a clay loam in Texas. Soil & Tillage Research, 2002, 68(2): 71–82

[14] Grassini P, Yang  H, Cassman K G . Limits to maize productivity in Western Corn-Belt: A simulation analysis for fully irrigated and rainfed conditions. Agricultural and Forest Meteorology, 2009, 149(8): 1254–1265

[15] Liu C A, Li  F R, Zhou  L M, Feng  Q, Li X ,  Pan C C ,  Wang L, Chen  J L, Li  X G, Jia  Y, Siddique K H M ,  Li F M . Effects of water management with plastic film in a semi-arid agricultural system on available soil carbon fractions. European Journal of Soil Biology, 2013, 57(7): 9–12

[16] Gao Q H, Lu  X M. Effects of plastic film residue on morphology and physiological characteristics of tomato seedlings.Journal of Tropical and Subtropical Botany, 2011, 19(5): 425–429 (in Chinese)

[17] Yan C, He  W, Turner N C . Plastic film-mulch in Chinese agriculture: importance and problems. World Agriculture, 2014, 4(2): 32–36

[18] Ma Y, Piao  S, Sun Z ,  Lin X, Wang  T, Yue C ,  Yang Y. Stand ages regulate the response of soil respiration to temperature in a Larix principis-rupprechtii plantation. Agricultural and Forest Meteorology, 2014, 184(1): 179–187

[19] Bremner J M, Jenkinson  D S. Determination of organic carbon in soil. I. Oxidation by dichromate of organic matter in soil and plant materials. Journal of Soil Science, 1960, 11(2): 394–402

[20] Bremner J M. Nitrogen—Total. In: Sparks D L, Page A L, Helmke P A, Loeppert R H, Soltanpour P N, Tabatabai M A, Johnston C T, Sumner M E, eds. Methods of soil analysis part 3, chemical methods, SSSA Book Series No. 5. Madison: Soil Science Society of America, 1996, 1085–1121

[21] Best E K. An automated method for determining nitrate–nitrogen in soil extracts. Queensland Journal of Agricultural and Animal Sciences, 1976, 33(2): 161–166

[22] Vance E D, Brookes  P C, Jenkinson  D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology & Biochemistry, 1987, 19(6): 703–707

[23] Liang B, Zhou  J B, Yang  X Y. Changes of soil microbial biomass carbon and nitrogen, and mineral nitrogen after a long-term different fertilization. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(2): 321–326 (in Chinese)

[24] Bristow K L. The role of mulch and its architecture in modifying soil temperature. Australian Journal of Soil Research, 1988, 26(2): 269–280

[25] Sarkar S, Paramanick  M, Goswami S B . Soil temperature, water use and yield of yellow sarson (Brassica napus L. var. glauca) in relation to tillage intensity and mulch management under rainfed lowland ecosystem in eastern India. Soil & Tillage Research, 2007, 93(1): 94–101

[26] Horton R, Bristow  K L, Kluitenberg  G J, Sauer  T J. Crop residue effects on surface radiation and energy balance—review. Theoretical and Applied Climatology, 1996, 54(1): 27–37

[27] Guo X J, Han  Z X, Ma  F W. Effect of different mulching treatments on changes of soil properties, growth of fruit tree, and yield, and quality of fruit. Journal of Northwest A & F University, 2013, 41(9): 112–118 (in Chinese)

[28] Subrahmaniyan K, Zhou  W. Soil temperature associated with degradable, non-degradable plastic and organic mulches and their effect on biomass production, enzyme activities and seed yield of winter rapeseed (Brassica napus L.). Journal of Sustainable Agriculture, 2008, 32(4): 611–627

[29] Cheng Y X, Deng  R C, Fang  J, Liu J ,  Chen X P ,  Lu J Y ,  Yu X Z ,  Xu K W . Effect of mulching and cultivation patterns on soil temperature and soil water of maize in Western edge of Sichuan Basin, China. Soils, 2015, 47(3): 608–616 (in Chinese)

[30] Jiang Y, Shi  C Y, Wang  Z Z. Effects of plastic film mulching on arable layer soil temperature, moisture and yield of sweet potato. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(6): 627–634 (in Chinese)

[31] Li Z W, Nie  X D, Chen  X L, Lu  Y M, Jiang  W G, Zeng  G M. The effects of land use and landscape position on labile organic carbon and carbon management index in red soil hilly region, southern China. Journal of Mountain Science, 2015, 12(3): 626–636

[32] Fang X, Wang  Q, Zhou W ,  Zhao W, Wei  Y, Niu L ,  Dai L. Land use effects on soil organic carbon, microbial biomass and microbial activity in Changbai Mountains of Northeast China. Chinese Geographical Science, 2014, 24(3): 297–306

[33] Hopkins D W, Waite  I S, McNicol  J W, Poulton  P R, Macdonald  A J, O’Donnell  A G. Soil organic carbon contents in long-term experimental grassland plots in the UK (Palace Leas and Park Grass) have not changed consistently in recent decades. Global Change Biology, 2009, 15(7): 1739–1754

[34] Powlson D S, Bhogal  A, Chambers B J ,  Coleman K ,  Macdonald A J ,  Goulding K W T ,  Whitmore A P . The potential to increase soil carbon stocks through reduced tillage or organic material additions in England and Wales: a case study. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2012, 146(1): 23–33

[35] Guan Z H, Li  Q Y, Zhang  R Z, Wang  L, Zhang J . Effects of conservation tillage on readily oxidizable and total organic carbon in soil. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 45(2): 420–426 (in Chinese)

[36] Liang Y C, Wang  J, Liu Q Q ,  Lun W Z . Effects of soil surface mulching on soil organic carbon and its fractions in a wheat field in loess plateau, China. Ganhan Diqu Nongye Yanjiu, 2015, 32(5): 161–167 (in Chinese)

[37] Wu R M, Wang  Y P, Li  F M, Li  X G. Effects of coupling film-mulched furrow-ridge cropping with maize straw soil-incorporation on maize yields and soil organic carbon pool at a semiarid loess site of China. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(9): 2855–2862 (in Chinese) 

[38] Wang L, Li  L L, Gao  L F, Liu  J, Luo Z Z ,  Xie J H . Effect of long-term conservation tillage on total organic carbon and readily oxidizable organic carbon in loess soils. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(9): 1057–1063 (in Chinese) 

[39] Zhang J Y, Sun  J J, Wang  J L, Fang  Q X. Effect of no-tillage with straw mulching on soil water content and temperature and crop yield in semi-humid area. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(3): 71–78 (in Chinese)

[40] Zhang C E, Liang  Y L, He  X B. Effects of plastic cover cultivation on soil microbial biomass. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(4): 508–512 (in Chinese)

[41] Shi J G, Liu  J H, Shi  J Q, Sun  Y Q, Jia  L X, Rong  X P. Effects of reused plastic film mulching on soil microbial biomass carbon content. Crops, 2014(5): 75–79 (in Chinese)

[42] Dong B, Zeng  J, Zhang D W ,  Guo T W ,  Bao X G . Effects of no-tillage and wheat-maze rotation on soil organic carbon, soil inorganic carbon and microbial biomass carbon contents. Chinese Journal of Soil Science, 2013, 44(2): 376–379 (in Chinese)

Acknowledgements

This study was financially supported by the National High-tech R&D Program of China (2013AA102904, 2011AA100503), the Sci-tech Coordination and Innovation Project of Shaanxi Province (2016KTZDNY03-06), and Chinese “111” Project (B12007). The manuscript was completed while Dr. Benhua Sun was an academic visitor supported by the Chinese Scholarship Council at Royal Agricultural University, UK.

Compliance with ethics guidelines

Xiaomin Pi, Tongxun Zhang, Benhua Sun, Quanhong Cui, Yun Guo, Mingxia Gao, Hao Feng, and David W. Hopkins declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)