Seasonal dynamics of active soil carbon and nitrogen pools under intensive cropping in conventional and no tillage

Active fractions of soil carbon (C) and nitrogen (N) can undergo seasonal changes due to environmental and cultural factors, thereby influencing plant N availability and soil organic matter (SOM) conservation. Our objective was to determine the effect of tillage (conventional and none) on the seasonal dynamics of potential C and N mineralization, soil microbial biomass C (SMBC), specific respiratory activity of SMBC(SRAC), and inorganic soil N in a sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]-wheat (Triticum aestivum L.)/soybean [Glycine max (L.) Merr.] rotation and in a wheat/soybean double crop. A Weswood silty clay loam (fine, mixed, thermic Fluventic Ustochrept) in southcentral Texas was sampled to 200 mm depth 57 times during a 2-yr period. Potential C mineralization was lowest (≈2 to 3 g · m−2 · d−1) midway during the sorghum and soybean growing seasons and highest (≈3 to 4 g · m−2 · d−1) at the end of the wheat growing season and following harvest of all crops. Addition of crop residues increased SMBC for one to three months. Potential N mineralization was coupled with potential C mineralization, SRAC, and changes in SMBC at most times, except during the wheat growing season and shortly after sorghum and soybean residue addition when increased N immobilization was probably caused by rhizodeposition and residues with low N concentration. Seasonal variation of inorganic soil N was 19 to 27%, of potential C and N mineralization and SRAC was 8 to 23%, and of SMBC was 7 to 10%. Soil under conventional tillage experienced greater seasonal variation in potential C and N mineralization, SRAC, bulk density, and water-filled pore space than under no tillage. High residue input with intensive cropping and surface placement of residues were necessary to increase the long-term level of active C and N properties of this thermic-region soil due to rapid turnover of C input. Jahreszeitliche Veranderungen des aktiven Kohlenstoffs und Stickstoffs im Boden bei intensivem Pflanzenbau mit konventioneller Bodenbearbeitung und bearbeitungsfreiem Ackerbau Umweltfaktoren und Bewirtschaftungsmasnahmen konnen den Pool des aktiven Kohlenstoffs und Stickstoffs im Boden verandern und so die N-Verfugbarkeit sowie den Humusgehall beeinflussen. Unsere Zielstellung war, den Effekt der Bodenbearbeitung (konventionelle und Direktsaat) auf die jahreszeitlichen Schwankungen von potentieller C- und N-Mineralisierung, dem bodenmikrobiellen Biomasse-C (SMBC), der spezifischen Atmungsaktivitat der SMBC (SRAC) und dem mineralischen N in einer Sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]- Weizen (Triticum aestivum L.)/Sojabohnen [Glycine max (L.) Merr.] Fruchtfolge und in einem Weizen/Sojabohnen Doppelanbau zu bestimmen. Hierzu wurden auf einem Feldversuch in Sudzentral-Texas (Weswood, schluffig toniger Lehm) innerhalb von zwei Jahren 57 Bodenproben (0 bis 200 mm) genommen. Die potentielle C-Mineralisierung war wahrend der Sorghum- und Sojabohnen-Wachstumsperioden am niedrigsten (≈2 bis 3 g m−2 d−1) und am Ende der Weizenwachstumsperiode und nach der Ernte aller Kulturen am hochsten (≈3 bis 4 g m−2 d−1). Die Ernteruckstande erhohten SMBC fur ein bis drei Monate. Die potentielle N-Mineralisierung war mit der potentiellen C-Mineralisierung, mit SRAC und mit SMBC positiv korreliert, auser wahrend der Wachstumsperiode von Weizen und kurz nach der Ernte von Sorghum und Sojabohnen, wenn vermutlich Rhizodeposition und Pflanzenruckstande mit niedriger N-Konzentration N-Immobilisierung verursachten. Die jahreszeitlichen Schwankungen von mineralischem N betrugen 19 bis 27%, von potentieller C- und N-Mineralisierung und SRAC 8 bis 23% und von SMBC 7 bis 10%. Mit konventioneller Bodenbearbeitung waren die jahrezeitlichen Schwankungen von potentieller C- und N-Mineralisierung, SRAC, der Bodendichte und des wasserfuhrenden Porenvolumens groser als mit Direktsaat. Hohe Produktion an Pflanzenruckstanden bei intensivem Anbau und ihre Ruckfuhrung auf die Bodenoberflache waren aufgrund des schnellen Abbaus des C-Inputs zu diesem Boden in der warm-temperierten Region notig, um den langjahrigen Gehalt an aktivem C und N zu erhohen.