Effect of plant growth promoting rhizobacteria (PGPRs) on soil chemical properties in a clover- rice cropping system

Subject Areas : Farm water management with the aim of improving irrigation management indicators

Abbas Shahdi Kumleh ¹

1 - Researcher (Assistant professor), Rice Research Institute of Iran (RRII), Rasht, Iran & Head, Central and West Asian Rice Center (CWARice)

Received: 2019-04-28 Accepted : 2020-07-01 Published : 2020-07-22

Keywords: Pseudomonas, Azotobacter, organic carbon, paddy soil, Rhizobium,

Abstract :

One of the main pillars of sustainable agriculture is the use of biofertilizers in agro-ecosystems to modify and reduce the use of chemical inputs. This study was carried out to investigate the effect of growth promoting bacteria on soil chemical properties in a clover- rice cropping system using a factorial experiment with randomized complete blocks having three replications at the research site of Rice Research Institute of Iran, during 2015- 17. Experimental factors for clover included four levels of inoculation with symbiotic bacteria Rhizobium trifolii and four levels of inoculation with non- symbiotic plant growth promoting bacteria. The results showed that clover cultivation led to a significant increase in the percentage of soil organic carbon (1.79%) and nitrogen (0.216%). The Application of non-symbiotic bacteria in clover cultivation caused a significant increase in soil phosphorus in rice cultivation. The highest amount of soil phosphorus was obtained in treatments of Pseudomonas (12.38%) and Azotobacter+ Pseudomonas (11.8 ppm) in rice cultivation. Also, rice cultivation significant reduced available potassium in the second year (121.1 mg/kg) compared to the first year (128.3 mg/kg). According to the overall results of this study, the use of growth promoting bacteria while maintaining and improving the chemical properties of the soil increased the average rice yield in the second year (3250.3 kg/ha).

References:

آینه‌بند، ا. 1384. اثر تاریخچه کشت بر خصوصیات اکولوژیکی- زراعی اکوسیستم گندم. مطالعه موردی: مزارع آموزشی- تولیدی مجتمع کشاورزی رامین (ملاثانی). مجله علمی کشاورزی، 28(2): 116-101. 

ابراهیمی، م. و اخگر، ع. 1393. تأثیر تلقیح تلفیقی باکتری سینوریزوبیوم (Sinorhizobium sp) و باکتری‌های ریزوسفری محرک رشد گیاه بر تثبیت نیتروژن و رشد یونجه. مجله مدیریت خاک و تولید پایدار، 4(1): 199-183.

ابراهیمی‌کریم‌آباد، ر.، رسولی‌صدقیانی، م. و برین، م. 1394. جداسازی میکروارگانیسم‌های حل‌کننده فسفات از ریزوسفر گندم و بررسی توان حل‌کنندگی آن‌ها در دو منبع فسفات نامحلول. تحقیقات کاربردی خاک، 3(2): 41-29.

اسدی‌رحمانی، ه.1390. تهیه دستورالعمل نحوه کاربرد کودهای بیولوژیک، گزارش نهایی پروژه تحقیقاتی، شماره 41612، مؤسسه تحقیقات خاک و آب کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران.

امین‌پناه، ه. و عباسیان، ا. 1395. اثر تناوب زراعی، تلقیح با ازتوباکتر کروکوکوم و مقدار نیتروژن بر عملکرد برنج. مجله تولید گیاهان زراعی، 9(3): 230-211.

تبریزی، ع، ا.، نورمحمدی، ق. و مبصر، ح. 1394. تأثیر نظام‌های مختلف کشت بر حاصلخیزی خاک شالیزار. اکوفیزیولوژی گیاهان زراعی، 9(2): 202-191.

حجتی‌پور، ا.، جعفری‌حقیقی، ب. و درستکار، م. 1392. تأثیر تلفیق کودهای زیستی و شیمیایی بر عملکرد دانه، اجزای عملکرد و شاخص‌های رشدی گندم. مجله علمی- پژوهشی اکوفیزیولوژی گیاهی، 5(15): 48-37.

حسن‌زاده، ا.، مظاهری، د.، چایی‌چی، م. ر. و خاوازی، ک . 1386. کارآیی مصرف باکتری‌های تسهیل کننده جذب فسفر و کود شیمیایی فسفر برعملکرد و اجزا عملکرد جو. فصلنامه پژوهش و سازندگی در زراعت و باغبانی، (77): 118-111.

حمیدی، آ.، اصغرزاده، ا.، چوکان، ر.، دهقان شعار، م.، قلاوند، ا. و ملکوتی، م. ج. 1389. تأثیر کاربرد باکتری‌های افزاینده رشد گیاه (PGPR) بر تسهیم ماده خشک و برخی ویژگی‌های رشد ذرت در شرایط گلخانه. پژوهش‌های خاک (علوم خاک و آب)، 24(1): 67-55.

خدارحمی، م.، صباغ‌پور، س، ح. و فرنیا، ا. 1392. اثر سوش‌های مختلف باکتری‌های ریزوبیوم بر عملکرد و اجزای عملکرد دانه ارقام اصلاح شده نخود. به‌زراعی نهال و بذر، 2-29(2): 412-403.

خسروی، ه. 1394. ریزوبیوم‌ها و نقش آن‌ها در مدیریت نیتروژن اراضی کشاورزی زیر کشت لگوم‌ها. مدیریت اراضی، 3(1): 48-37.

ربیعی، م.، جیلانی، م. و کریمی، ش. 1394. اثر مصرف کودهای نیتروژن و فسفر بر شاخص‌های برداشت و برخی صفات مهم زراعی گیاه تریتیکاله در منطقه گیلان. به‌زراعی کشاورزی، 17(2): 327-313.

رضوان‌بیدختی، ش.، دشتبان، ع.، کافی، م. و سنجانی، س. 1388. ارزیابی اثر کاربرد سویه‌هایی از باکتری سودوموناس برعملکرد و اجزای عملکرد گندم در سطوح مختلف فسفر. بوم‌شناسی کشاورزی، 1(1): 40-33.

زارع‌فیض‌آبادی، ا. و نوری‌حسینی، م. 1392. بررسی تغییرات کربن آلی و برخی عناصر غذایی خاک در تناوب‎های زراعی مبتنی بر گندم. پژوهش‌های خاک (علوم خاک و آب)، 27(4): 643-629.

زمانیان، م. 1387. بررسی و مقایسه عملکرد شبدر لاکی با دیگر گونه‌های شبدر در تاریخ‌های مختلف کشت. به‌نژادی نهال و بذر، 24(2): 320-309.

سعادت، ف.، احتشامی، م، ر، اصغری، ج. و ربیعی، م. 1394. تأثیر پوشش‌دار کردن بذر با باکتری‌های محرک رشد و عناصر ریزمغذی بر عملکرد کمی و کیفی ذرت علوفه‌ای. علوم گیاهان زراعی ایران، 46(3): 496-485.

سیدمحمدی، ج.، اسماعیل‌نژاد، ل.، رمضان‌پور، ح. و افتخاری، ک. 1395. تحلیل وضعیت اکسایش- کاهش و روند تحول خاک‌های شالیزار در یک توپوسکوئنس. آب و خاک، (30(2): 496-484.

شالیکار، ا.، ایوبی، ش.، خرمالی، ف. و قربانی‌نصرآبادی، ر. 1387. ارزیابی شاخص‌های مختلف کیفیت خاک در تناوب‌های زراعی با کشت برنج در منطقه دشت سر- آمل. فصلنامه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 15(6): 12-1.

شهدی‌کومله، ع.، سیدی، س. ر.، ربیعی، م. و فروغی، م. 1397. اثر باقی‌مانده کودهای نیتروژن و فسفر بر خصوصیات شیمیایی خاک در سیستم کشت باقلا- برنج. نشریه حفاظت منابع آب و خاک (علمی- پژوهشی)، 7(4): 115-103.

شهدی‌کومله، ع.، صادق‌کسمائی، ل.، ربیعی، م. و فروغی، م. 1396. اثر باقی‌مانده کودهای نیتروژن و فسفر در مزرعه باقلا بر عملکرد در سیستم کشت باقلا-  برنج در گیلان. اکوفیزیولوژی گیاهان زراعی، 42(2): 398-383.

شهدی‎کومله، ع. 1378. راهنمای مصرف کود پتاسه در شالیزار. نشریه ترویجی، شماره 17021، مؤسسه تحقیقات برنج کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران.

طاهرخانی، م.، نورمحمدی، ق.، میرهادی، م. ج. و علی‌محمدی، ر. 1386. بررسی قابلیت تثبیت بیولوژیکی نیترون در ارقام مختلف لوبیا (Phaseolus vulgaris L) با کاربرد سه نوع مایه تلقیح حاوی باکتری تثبیت کننده نیتروژن (Rhizobium phaseoli). بوم‌شناسی گیاهان زراعی، 3(7): 88-80.

عبدی، س.، تاخبخش، م.، عبدالهی‌مندولکانی، ب. و رسولی‌صدقیانی، م. ح. 1391. بررسی اثر کود سبز بر میزان ماده آلی و نیتروژن خاک. دو فصلنامه دانشور علوم زراعی ، 5(7): 52-41.

عسکری، م. و بیات، ل. 1392. اثرات تلقیح دو سویه ریزوبیوم بر شاخص‌های آناتومیکی شبدر ایرانی (Trifolium resupinatum) تحت آلودگی دی‌اکسیدگوگرد. سلول و بافت (Cell and Tissue)، 4(3): 273-261.

عیوضی، ع.، فجری، ا.، رضازاد، م.، سلیمان‌پور، م. و رضایی، م. 1390. ارزیابی توانایی تثبیت زیستی نیتروژن در سویه‌های ریزوبیوم همزیست با بقولات در استان آذربایجان غربی. مجله علوم زراعی ایران، 13(4): 641-627.

فلاح‌نصرت‌آباد، ع. و شریعتی، ش. 1393. بررسی تأثیر باکتری‌های سودوموناس و باسیلوس در عملکرد گندم و جذب عناصر غذایی و مقایسه آن با کود شیمیایی و آلی. آب و خاک، 28(5): 986-976.

قوشچی، ف.، جورابلو، ع.، سیلسپور، م. و هادی، ح. 1389. اثر خاکورزی و مدیریت بقایای گیاهی جو (Hordeum vulgare L.) بر ویژگی‌های خاک و ذرت علوفه‌ای (.Zea mays L). بوم‌شناسی کشاورزی، 2(3): 436-428.

کریمی‌مریدانی، م. 1393. اهمیت پتاسیم در حاصلخیزی خاک شالیزار. فصلنامه نظام مهندسی کشاورزی و منابع طبیعی، 12(44): 39 -33.

محمدی، غ.، صفری‌پور، م.، قبادی، م. ا. و نجفی، ع. 1394. تأثیر کودهای سبز و نیتروژن برعملکرد و شاخص‌های رشدی ذرت. دانش کشاورزی و تولید پایدار، 25(2): 124-105.

محمودسلطانی، ش.، کاوسی، م.، قلی‎پور، م.، شکوری، م. و پیکان، م. 1396. بررسی رفتار فسفر قابل استفاده تحت شرایط غرقابی در خاک‌های شالیزاری پس از کاربرد کود فسفره. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 24(6): 46-25.

میرزاشاهی، ک. 1396. بررسی ادواری کربن آلی خاک در دشت خوزستان و ارایه راهکارهای ترویجی. مدیریت اراضی، 5(1): 12-1.

Anglade, J., Billen, G. and Garnier, J. 2015. Relationships for estimating N₂ fixation in legumes: incidence for N balance of legume-based cropping systems in Europe. Ecosphere, 6(3): 1-24.

Asagi, N. and Ueno, H. 2009. Nitrogen dynamics in paddy soil applied with various 15 N-labelled green manures. Plant and Soil, 322(1): 251-262.

Bhattacharyya, P. N. and Jha, D. K. 2012. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 28(4):1327-1350.

Blomback, K., Eckersten, H. and Lewan, E .2003. Simulations of soil carbon and nitrogen dynamics during seven years in a catch crop experiment. Agricultural Systems, 76(1): 95-114.

Bremner, J. M. and Mulvany, C. S. 1982. " Nitrogen-total", In: Page, A. L., Miller, R. M. and Keeney, D.R., (eds.), Methods of soil analysis, part 2, soil science society of America, Madison, WI, 595-624 pp.

Cazzato, E., Laudadio, V., Stellacci, A. M., Ceci, E. and Tufarelli, V. 2012. Influence of sulphur application on protein quality, fatty acid composition and nitrogen fixation of white lupin (Lupinus albus L), European Food Research and Technology, 235(5): 963-969.

Cho,Y. S., Hidaka, K. and Mineta, T. 2003. Evaluation of white clover and rye grown in rotation with no-tilled rice. Field crops research, 83(3): 237-250.

Conde, L.  D., Chen, Z., Chen, H. and Liao, H. 2014. Effects of phosphorus availability on plant growth and soil nutrient status in the rice/ soybean rotation system on newly cultivated acidic soils. American Journal of Agriculture and Foresty, 2(6): 309-316.

Fujita, K., Ofosu- Budu, K. G. and Ogata, S. 1994. Biological nitrogen fixation in mixed legume-cereal cropping system. Plant and Soil, 141(1-2): 155-175.

Gupta, N., Sabat, J., Parida, R. and Kerkatta, D. 2007. Solubilization of tricalcium phosphate and rock phosphate by microbes isolated from chromite, iron and manganese mines. Acta Botanica Croatica, 66(2): 197-204.

Hassen, A. I., Bopape, F. L. and Trytsman, M. 2014. Nodulation study and characterization of rhizobial microsymbionts of  forage and pasture legumes in South Africa. World Journal of Agricultural Research, 2(3): 93-100.

Hazelton, P., Murphy, B., Neyshabouri, M. R. and A. Reyhanitabar. 2010. Interpreting soil test results, Tabriz University Press, 91 p.

Hogh- Jensen, H. and Schjoerring, J. K. 2001. Rhizodeposition of nitrogen by red clover, white clover and ryegrass leys. Soil Biology and Biochemistry, 33(4-5): 439-448.

Hossain, Z., Wang, X., Hamel, Ch., Knight, D., Morrison, M. J. and Gan, Y. 2017. Biological nitrogen fixation by pulse crops on semiarid Canadian prairies. Canadian journal of  plant science, 97(1): 119-131.

Hu, H. and Wang, G. H. 2004. Nutrient uptake and use efficiency of irrigated rice in response to potassium application. Pedosphere, 14(1): 125-130.

Hwangbo, H., Park, R. D., Kim, Y. W., Rim, Y. S., Park, K., Kim, H., Suh, H. J. S. and Kim, K. Y. 2003. 2- Ketogluconic acid production and phosphate solubilization by Enterobacter intermedium. Current microbiology, 47(2): 87-92.

Illmer P. and Schinner F. 1992. Solubilization inorganic phosphates by microorganisms isolated from forest soils, Soil Biology and Biochemistry, 24(4): 389-395.

Jensen, E. S. and Peoples, M. B. 2010. Faba bean in cropping systems. Field crops research, 115(3): 203-216.

Jnawali, A. D., Ojha, R. B. and Marahatta, S. 2015. Role of Azotobacter in soil fertility and sustainability–A Review. Adv. Plants Agric. Res, 2(6): 1-5.

Justes, E. B., Mary, B. and Nicolardot, B. 1999. Comparing the effectiveness of radish cover crop, oilseed radish volunteers and residues incorporation for reducing nitrate leaching. Nutrient Cycling Agroecosystems, 55(3): 207-220.

Kannapiran, E. and Ramkumar, V. S. 2011. Isolation of phosphate solubilizing bacteria from sediments of  Thondi coast, Palk Strait, Southeast coast India. Annals of  Biological Research, 2(5): 157-163.

Keneni, A., Assefa, F. and Prabu, P. C. 2010. Isolation of phosphate solubilizing bacteria from the rhizosphere of faba bean of Ethiopia and their abilities on solubilizing insoluble phosphates. Journal of Agricultural Science and Technology, 12(1): 79-89.

Klut, A. 1986. Method of Soil Analysis: Physical, Chemical and mineralogical methods. Soil sci. soc. qm. Madison, WI, USA, 432-449 pp.

Kumar, S., Meena, R.  S., Lal, R., Yadav, G. S., Mitran, T., Meena, B., Dotaniya, M. L. and El Sabagh, A. 2018. Role of legumes in soil carbon sequestration, legumes for soil health and sustainable management, Singapor, 109-138 pp.

Kumutha, K., Sempaualan, J. and Krishnan, P. S. 2004. Effect of insoluble phosphate and dual inoculation on soybean. In: Kannaryan, S., Kumar, K., Gouidarajan, K. (eds.), Biofertilizer, 354-358 pp.

Lavakush, Yadav, J. and Verma, J. P. 2012. Isolation and characterization of effective plant growth promoting rhizobacteria from rice rhizosphere of indian soil. Asian J Biol Sci, 5(6): 294-303.

Maiksteniene, S. and Arlauskiene, A. 2004. Effect of preceding crops and green manure on the fertility of clay loam soil. Agronomy research, 2(1): 87-97.

Mayak, S., Tirosh, T. and Glick, B. R. 2004. Plant growth-promoting bacteria confer resistance in tomato plants to salt stress. Plant physiology and Biochemistry, 42(6): 565-572.

Mittal, V., Singh, O., Nayyar, H., Kaur, J. and Tewari, R. 2008. Stimulatory effect of phosphate-solubilizing fungal strains (Aspergillus awamori and Penicillium citrinum) on the yield of chickpea (Cicer arietinum L. cv. GPF2). Soil Biology and Biochemistry, 40(3): 718-727.

Najjar, Gh., Godlinski, F., Vassilev, N. and Eichler-Lobermann, B. 2012. Dual inoculation with Pseudomonas fluorescens and arbuscular mycorrhizal fungi increases phosphorus uptake of maize and faba bean from rock phosphate. vTI. Agriculture and Forestry Research, 3(62): 77-82.

Natural Resources Conservation Service (NRCS), USDA. 1998. Soil quality information sheet. Indicators for Soil Quality Evaluation.

Nelson, D. W. and Sommers, L. E. 1982. Total carbon, organic carbon, and organic matter. p. 539-579. In A. L. Page et al., (ed.) Methods of soil analysis. Part 2. 2nd ed. Agron. Monogr. 9. ASA and SSSA, Madison, WI.

Neugschwandtner, R., Ziegler, K., Kriegner, S. and Kaul, H. P. 2015. Nitrogen yield and nitrogen fixation of winter faba beans. Soil and Plant Science, 65(7): 1-9.

O'Hara, G., Yates, R. and Howieson, H. 2002. Selection of strains of root nodule bacteria to improve inoculants performance and increase legume productivity in stressful environments.ACIAR Proceedings,109: 75-80.

Olsen, S. R. and Sommers, L. E. 1982. Phosphorus. Chemical and microbiological properties p. 403- 430. In: A. L. Page et al., (ed.) Methods of soil analysis. Part 2. 2nd ed. Agron. Monogr. 9. Madison, WI.

Pandey, A., Trivedi, P., Kumar, B. and Palni, L. M. S. 2006. Characterization of a phosphate solubilizing and antagonistic strain of Pseudomonas putida (B0) isolated from a sub-alpine location in the Indian central Himalaya. Current microbiology, 53(2): 102-107.

Pavithira, E., Sirisena, D. N. and Herath, S. K. 2017. Effect of potassium fertilizer split applications together with straw on optimum level in leaf and stem of Rice. The Journal of Agricultural Sciences, 12(1): 24-33.

Porpavai, S., Devasenapathy, P., Siddeswaran, K. and Jayaraj, T. 2011. Impact of various rice based cropping systems on soil fertility. Journal of cereals and oilseeds, 2(3): 43-46.

Reyes, I., Bernier, L., Simard, R. R., Tanguay, P. and Antoun, H. 1999. Characteristics of phosphate solubilization by an isolate of a tropical Penicillium rugulosum and two UV-induced mutants. FEMS Microbiology Ecology, 28(3): 291-295.

Russell, A. E., Laird, D. A., Parkin, T. B. and Mallarino, A. P. 2005. Impact of nitrogen fertilization and cropping system on carbon sequestration in Midwestern mollisoils. Soil Science Society of America Journal, 69(2): 413-422.

Sanchez, J. E., Willson, T. C., Kizilkaya, K., Parker, E. and Harwood, R. R. 2001. Enhancing the mineralizable N pool through substrate diversity in long term cropping systems. Soil Science Society of America Journal, 65(5): 1442-1447.

SAS Institute. 2011. SAS/IML 9.1 user's guide. Sas Institute.

Sharma, A. K. 2003. Biofertilizers for Sustainable Agriculture. Agrobios, India. 407 p.

Sharma, G., Patil, S. K., Buresh, R. J., Mishra, V. N., Das, R. O., Haefele, S. M. and Shrivastava, L. K. 2005. Rice establishment method affects nitrogen use and crop production of rice-legume systems in drought-prone eastern India. Field Crops Research, 92(1): 17-33.

Shibabaw, A. and Alemeyehu, M. 2015. The contribution of some soil and crop management practice on soil organic carbon reserves: review. Journal of Advances in Agriculture, 3(3): 269-277.

Siadat, S. A., Moradi- Telavat, M. R., Fathi, G., Mazarei, M., Alamisaeid, K. and S. H. Mouasavi. 2011. Rapeseed (Brassica napus L. var. oleifera) response to nitrogen fertilizer following different previeous crops. Italian Journal of Agronomy, 6(4): 199-203.

Singh, R., Behl, R. K., Singh, K. P., Jain, P. and Narula, N. 2004. Performance and gene effects for wheat yield under inoculation of arbuscular mycorrhiza fungi and Azotobacter chroococcum. Plant Soil and Environment, 50(9): 409-415.

Snapp, S. S., Swinton, S. M., Labart, R., Mutch, D., Black, J. R., Leep, R., Nyiraneza, J. and O’Neil, K. 2005. Evaluating cover crops for benefits, costs and performance within cropping system niches. Agronomy journal, 97(1): 322-332.

Talgre, L., Lauringson E., Roostalu H. and Astover, A. 2009. The effects of green manures on yields and yield quality of spring wheat. Agronomy Research, 7(1):125-132.

Tian, G. and Kolawole, G. O. 2004. Comparison of various plant residues as phosphate rock amendment on Savanna Soils of West Africa, Journal of plant nutrition, 27(4): 571-583.

Vyas, P. and Gulati, A. 2009. Organic acid production in vitro and plant growth promotion in maize under controlled environment by phosphate-solubilizing fluorescent Pseudomonas. BMC microbiology, 9(1): 174.

Wu, S. C., Cao, Z. H., Li, Z. G., Cheung, K. C. and  Wong, M. H . 2005. Effect of biofertilizer containing N fixer, P and K solubilizers and AM fungi on maize growth: a greenhouse trial. Geoderma, 125(1-2): 155-166.

Wyngaarden, S. L., Gaudin, A. C. M., Deen, W. and Martin, R. C. 2015. Expanding Red Clover (Trifolium  retense) Usage in the corn-soy-wheat rotation. Sustainability, 7(11): 15487-15509.

Yadav, A., Yadav, K. and Vashistha, A. 2016. Phosphate solubilizing activity of Pseudomonas fluorescens PSM1 isolated from wheat rhizosphere. Journal of Applied and Natural Science, 8(1): 93-96.

Yu, X., Liu, X., Zhu, T. H., Liu, G. H. and Mao, C. 2011. Isolation and characterization of phosphate-solubilizing bacteria from walnut and their effect on growth and phosphorus mobilization. Biology and Fertility of Soils, 47(4): 437-446.

Zahir, A. Z., Arshad, M. and Frankenberger, W. F. 2004. Plant growth promoting rhizobacteria. Advances in agronomy, 81(1): 97-168.