Insights on nitrogen and phosphorus co‐limitation in global croplands from theoretical and modelling fertilization experiments

Abstract. Crossed fertilization additions are a common tool to assess nutrient interaction in a given ecosystem. Such fertilization experiments lead to the definition of nutrient interaction categories: e.g. simultaneous co-limitation, single resource response, etc. (Harpole et al., 2011). However, the implications of such categories in terms of nutrient interaction modeling are not clear. To this end, we developed a theoretical analysis of nitrogen (N) and phosphorus (P) fertilization experiments based on the computation of ratios between plant demand and soil supply for each nutrient. The theoretical analysis is developed following two mathematical formalisms of interaction: Liebig's law of minimum and multiple limitation hypothesis. As results of the theoretical framework, we defined the corresponding between most Harpole categories and the values of the limitation by each nutrient when considered alone in the control experiment (i.e. without additional nutrient supply). We showed that synergistic co-limitation could occur even using Liebig's formalism under certain conditions as a function of the amount of N and P added in fertilization experiments. We then applied our framework with global maps of soil supply and plant demand for croplands to achieve their potential yield. This allowed us to estimate the global occurrence of each limitation category, for each of the possible interaction formalism. We found that a true co-limitation could affect a large proportion of the global crop area (e.g. ~ 42 % for maize) if multiple limitation hypothesis is assumed. Our work clarifies the conditions required to achieve N and P co-limitation as function of the interaction formalism. Combined with compilation of field trials in cropland, our study would improve our understanding of nutrient limitation in cropland at the global scale.

Download Full-text

Whole-Lake Fertilization Experiments in Coastal British Columbia Lakes: Empirical Relationships between Nutrient Inputs and Phytoplankton Biomass and Production

Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences ◽

10.1139/f85-084 ◽

1985 ◽

Vol 42 (4) ◽

pp. 649-658 ◽

Cited By ~ 48

Author(s):

J. G. Stockner ◽

K. S. Shortreed

Keyword(s):

British Columbia ◽

Inorganic Nitrogen ◽

Nutrient Inputs ◽

Drainage Basins ◽

Nitrogen And Phosphorus ◽

Low Concentrations ◽

Tn:Tp Ratio ◽

Fertilization Experiments ◽

Oligotrophic Condition ◽

Coastal British Columbia

Seventeen warm monomictic coastal lakes in British Columbia were studied from 1980 to 1983. Inorganic nitrogen and phosphorus were applied to 13 of the lakes in some or all years of the study. In the untreated condition, lakes were ultraoligotrophic with low concentrations of nutrients (1.0–4.1 μg total P-L−1 at spring overturn), of average summer chlorophyll (0.49–2.57 μg∙L−1), and of average daily primary production (3.0–10.5 mg C∙m−3∙d−1). The lakes' oligotrophic condition is sustained by their low residence time (0.2–7.3 yr) and by low nutrient inputs from the generally steep granitic drainage basins. The lakes respond predictably to nitrogen and phosphorus additions and are generally phosphorus limited, as shown by the significant positive relationships between average summer chlorophyll and total phosphorus at spring overturn (r = 0.81) in unfertilized lakes, between average summer chlorophyll and phosphorus load from fertilizer (r2 = 0.62) in fertilized lakes, by the high average particulate C:N:P ratios (152:20:1), and by the high average TN:TP ratio (89).

Download Full-text

Supplementary material to "Insights on nitrogen and phosphorus co-limitation in global croplands from theoretical and modelling fertilization experiments"

10.5194/bg-2019-298-supplement ◽

2019 ◽

Author(s):

Bruno Ringeval ◽

Marko Kvakić ◽

Laurent Augusto ◽

Philippe Ciais ◽

Daniel Goll ◽

...

Keyword(s):

Nitrogen And Phosphorus ◽

Supplementary Material ◽

Fertilization Experiments

Download Full-text

Influence of increased nutrient supply on Microcystis aeruginosa at cellular and proteomic levels

Aquatic Microbial Ecology ◽

10.3354/ame01939 ◽

2020 ◽

Vol 85 ◽

pp. 47-58

Author(s):

Y Jiang ◽

Y Liu

Keyword(s):

Microcystis Aeruginosa ◽

Regulatory Protein ◽

Acid Synthesis ◽

Nutrient Supply ◽

Nitrogen Supply ◽

Nitrogen And Phosphorus ◽

Comprehensive Description ◽

Amino Acid Synthesis ◽

High Nutrient ◽

Proteomic Responses

Various studies have observed that increased nutrient supply promotes the growth of bloom-forming cyanobacteria, but only a limited number of studies have investigated the influence of increased nutrient supply on bloom-forming cyanobacteria at the proteomic level. We investigated the cellular and proteomic responses of Microcystis aeruginosa to elevated nitrogen and phosphorus supply. Increased supply of both nutrients significantly promoted the growth of M. aeruginosa and the synthesis of chlorophyll a, protein, and microcystins. The release of microcystins and the synthesis of polysaccharides negatively correlated with the growth of M. aeruginosa under high nutrient levels. Overexpressed proteins related to photosynthesis, and amino acid synthesis, were responsible for the stimulatory effects of increased nutrient supply in M. aeruginosa. Increased nitrogen supply directly promoted cyanobacterial growth by inducing the overexpression of the cell division regulatory protein FtsZ. NtcA, that regulates gene transcription related to both nitrogen assimilation and microcystin synthesis, was overexpressed under the high nitrogen condition, which consequently induced overexpression of 2 microcystin synthetases (McyC and McyF) and promoted microcystin synthesis. Elevated nitrogen supply induced the overexpression of proteins involved in gas vesicle organization (GvpC and GvpW), which may increase the buoyancy of M. aeruginosa. Increased phosphorus level indirectly affected growth and the synthesis of cellular substances in M. aeruginosa through the mediation of differentially expressed proteins related to carbon and phosphorus metabolism. This study provides a comprehensive description of changes in the proteome of M. aeruginosa in response to an increased supply of 2 key nutrients.

Download Full-text

Method application of optimal multi-parameter analysis to assess the distribution of water masses as an example of CTD data of the Barents Sea in summer 2017

Hydrosphere Еcology (Экология гидросферы) ◽

10.33624/2587-9367-2019-2(4)-38-51 ◽

2019 ◽

pp. 38-51

Author(s):

Valeriy G. Yakubenko ◽

Anna L. Chultsova

Keyword(s):

Barents Sea ◽

Field Measurements ◽

Structural Similarity ◽

Water Masses ◽

Parameter Analysis ◽

Water Dynamics ◽

Phosphorus Concentration ◽

Nitrogen And Phosphorus ◽

The Barents Sea ◽

Expert Assessments

Identification of water masses in areas with complex water dynamics is a complex task, which is usually solved by the method of expert assessments. In this paper, it is proposed to use a formal procedure based on the application of the method of optimal multiparametric analysis (OMP analysis). The data of field measurements obtained in the 68th cruise of the R/V “Academician Mstislav Keldysh” in the summer of 2017 in the Barents Sea on the distribution of temperature, salinity, oxygen, silicates, nitrogen, and phosphorus concentration are used as a data for research. A comparison of the results with data on the distribution of water masses in literature based on expert assessments (Oziel et al., 2017), allows us to conclude about their close structural similarity. Some differences are related to spatial and temporal shifts of measurements. This indicates the feasibility of using the OMP analysis technique in oceanological studies to obtain quantitative data on the spatial distribution of different water masses.

Download Full-text

Effective Removal of Nitrogen and Phosphorus from SalineSewage by Dunaliella tertiolecta through Acclimated Cultivation

Modern Environmental Science and Engineering ◽

10.15341/mese(2333-2581)/05.01.2015/003 ◽

2015 ◽

Vol 1 (5) ◽

pp. 225-234 ◽

Cited By ~ 5

Author(s):

Kam-Chau Wu ◽

Kin-Chung Ho ◽

Yiu-Hung Yau

Keyword(s):

Dunaliella Tertiolecta ◽

Nitrogen And Phosphorus ◽

Effective Removal

Download Full-text

Long-term fertilization experiments on a natural grassland on calcareous meadow soil

Agrokémia és Talajtan ◽

10.1556/agrokem.59.2010.2.5 ◽

2010 ◽

Vol 59 (2) ◽

pp. 255-268

Author(s):

István Harmati

Keyword(s):

Trifolium Pratense ◽

Poa Pratensis ◽

Festuca Pratensis ◽

Meadow Soil ◽

Medicago Lupulina ◽

Arrhenatherum Elatius ◽

Natural Grassland ◽

Fertilization Experiments ◽

Agropyron Repens

Sekély humuszos szintű, erősen karbonátos réti talajon kialakult természetes (Achilleo-Festucetum pseudovinae) gyepen beállított tartamkísérletekben vizsgáltuk a műtrágyázás kérdéseit a gyep növényi összetételének megjavítása, termésének növelése és minősége javítása céljából. A kísérlet humuszban gazdag, nitrogénnel és káliummal igen jól ellátott, de foszforban szegény talaján az N- és P-műtrágya 2-2 adagját szólóban és kombinációikban alkalmaztuk. Az öntözetlen kísérletet 28, az öntözöttet 14 éven át folyamatosan, széleskörűen vizsgáltuk. Megállapításainkat a következőkben foglaljuk össze. – A gyep növényi összetételét a N- és a P-műtrágyák adagjaiktól és kombinációiktól függően megváltoztatták. A nitrogén a füvek, a foszfor a pillangósok versenyképességét fokozta és segítette elő növekedését. Az önmagában alkalmazott N-műtrágya a talaj nagyfokú P-szegénysége miatt nem gyakorolt pozitív hatást a gyepre. A P-műtrágya viszont kedvező változásokat okozott: a füvek fejlődésének elősegítése mellett nagymértékben növelte a pillangósok borítási értékét és tömegarányát, különösen az öntözött parcellákon. Öntözetlen viszonyok között a réti perje (Poa pratensis), a sovány csenkesz (Festuca pseudovina) és a komlós lucerna (Medicago lupulina) alkotta a gyep termésének túlnyomó részét, néhány egyéb fű- és pillangósvirágú komponens társaságában. Az öntözött kísérletben a pillangósok abszolút uralma mellett gyakran a réti perje jutott vezető szerephez. A pillangósok közül az eperhere (Trifolium fragiferum), a komlós lucerna (Medicago lupulina) és a vörös here (Trifolium pratense) váltakozva jutott uralomra. Az időjárás nagyban befolyásolta a gyep pillangós komponenseinek tömegarányát. Az NP kombinációkban a pillangósok tömegaránya erősen lecsökkent, különösen a nagyobb N-adag használata esetén. Öntözetlen területen a sovány csenkesz és a réti perje változó arányban alkotta a gyep termésének túlnyomó részét. Az öntözött parcellákon azonban a réti perje abszolút uralkodóvá vált és az egyre jobban előretörő tarackbúza (Agropyron repens) is jelentősen részt vett a termés kialakításában, elsősorban a nagyobb N-dózisú kombinációkban. A kísérlet 3. évtizedében a csapadékos években megjelent a francia perje (Arrhenatherum elatius) és a réti csenkesz (Festuca pratensis) is. – A gyep termését az önmagában alkalmazott N-műtrágya nem növelte jelentősen. Ezzel szemben a P-műtrágya nagy hatékonysággal 2–4-szeresére (3–5 t·ha–1-ra) növelte a gyep szénatermését, elsősorban a pillangósok nagyarányú térhódítása révén. 1 kg P2O5 öntözetlen körülmények között 43, míg öntözöttben 68 kg szénaterméstöbbletet eredményezett, sokévi átlagban. A 90 kg P2O5·ha–1 adag néhány év után soknak bizonyult. A legjobb eredményt a 200 kg N·ha–1 + 60 kg P2O5·ha–1 adaggal értük el, amellyel az öntözetlen területen – 28 év átlagában – 7,87, öntözötten – 14 év átlagában – 7,12 t·ha–1 szénatermést kaptunk. Az időjárás nagymértékben befolyásolta a termés mennyiségét és minőségét, legfőképpen a pillangósok tömegarányának változása révén, különösen az öntözetlen kísérletben. A három növedék tömegének aránya 7 évi átlagban, az öntözetlen kísérletben a szóló foszforkezeléseknél 48:37:15%, míg az NP kombinációknál 56:35:9% volt. Az öntözött területen ezek az arányok az előbbi sorrendben: 39:49:12, illetve 43:41:16%. A nitrogénből számított nyersfehérjehozam sokévi átlagban az öntözetlen kísérletben 428–550, míg az öntözöttben 560–760 kg·ha–1 volt. – A talaj felvehető tápanyagtartalma az évek során jelentősen megváltozott, különösen a talaj 0–10 cm-es rétegében. A P-trágyázás önmagában, de az NP kombinációiban is az adagoktól, illetve az ezek hatására kialakult termések mennyiségétől függő mértékben növelte a talaj P-tartalmát. A legjobbnak a 200 kg N·ha–1 + 60 kg P2O5·ha–1 kezelésű parcellákban bizonyult: a kísérlet 22. évében a talaj 0–10 cm-es rétegében a P-tartalom 260 mg P2O5·kg–1 lett, ami az erősen karbonátos talajok esetében igen jó P-ellátottságnak mondható. A K-ellátottság azonban az NP-kezeléseknél az optimális szint alá csökkent (172 mg K2O·kg–1) a termések nagyarányú K-kivonása következtében. Ezért néhány évi NP-trágyázás után K-pótlásra is szükség van.

Download Full-text