Verfasst von Mukherjee, A. *1, Bier, R.2, Omondi, E.1, Kan, J.2, Daniel, M.2
Einleitung
Ab 2011 wurde in 162 Ländern weltweit ökologischer Landbau betrieben, wobei nur 0.86% oder 37.2 Millionen Hektar Ackerland genutzt wurden (FiBL 2016). Jede landwirtschaftliche Entscheidung hat das Potenzial, die Bodenqualität zu beeinflussen, und Praktiken des ökologischen Landbaus sind keine Ausnahme. Beispielsweise weisen organisch bewirtschaftete Böden normalerweise eine höhere organische Bodensubstanz (SOM), einen höheren pH-Wert, einen höheren organischen Kohlenstoff (SOC) und Bodenstickstoff (SON), Makro- und Mikronährstoffe, eine geringere biologische Aktivität sowie eine geringere Verdichtung und Schüttdichte (BD) auf ) im Vergleich zu konventionell bewirtschafteten Böden (Sheoran et al. 2019; Lori et al. 2017; Das et al. 2017; Reganold, Elliott und Unger 1987). Eine Reihe früherer Studien hat gezeigt, dass der ökologische Landbau die physikalisch-chemischen Parameter des Bodens sowohl bei Kurz- als auch bei Langzeitversuchen und in weiten geografischen Gebieten verbessern kann. Einige Studien wiesen auch darauf hin, dass die ökologische Bewirtschaftung unter wetterbedingten Bedingungen wie Dürre oder nährstoffarmen Gebieten im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft vor allem aufgrund einer signifikant verbesserten Bodenbeschaffenheit einen höheren Ernteertrag erzielen könnte (Pimentel et al. 2005). Darüber hinaus kann der ökologische Landbau im Vergleich zum traditionellen konventionellen Landbau auch die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft beeinflussen (Tuomisto et al. 2012a; Puech et al. 2014; Lee et al. 2015). Eine kürzlich durchgeführte Metaanalyse unter Verwendung von 107 Studien und 360 von 1977 bis 2012 veröffentlichten Beobachtungen legt beispielsweise nahe, dass eine signifikant verbesserte Energieeffizienz und eine Verringerung der Treibhausgasemissionen mit dem ökologischen Landbau im Vergleich zum konventionellen Landbau verbunden waren (Lee, Choe und Park 2015). . Eine weitere Metaanalyse unter Verwendung von 71 Studien aus Europa zeigt, dass Biobetriebe einen höheren SOM und geringere Nährstoffverluste durch Auswaschung (Stickstoff) und gasförmige Emissionen (Lachgas und Ammoniak) pro Feldeinheit und geringeren Energiebedarf aufwiesen. Diese Analyse zeigt jedoch auch, dass organische Systeme ein höheres Landnutzungs-, Eutrophierungs- und Versauerungspotential aufweisen als herkömmliche Systeme (Tuomisto et al. 2012b).
Projekt-Details
Die Delaware River Watershed (DRW) (ca. 13,500 Meilen)2) versorgt etwa 5% der US-Bevölkerung mit sauberem Trinkwasser und ist ein wichtiges Erholungs- und Industriegebiet für Einwohner von New York (NY), New Jersey (NJ), Pennsylvania (PA) und Delaware (DE) mit einer jährlichen Wirtschaftsleistung Wert von 25 Milliarden US-Dollar. Rodale Institute und das Stroud Water Research Center haben über einen Zeitraum von 6 Jahren ab 2018 ein langfristiges Forschungs-, Bildungs- und Öffentlichkeitsarbeitsprojekt namens Watershed Impact Trial (WIT) gestartet, um die Hindernisse für die Einführung von Wasserschutz-Landwirtschaftspraktiken zu beseitigen. Dieses Projekt wird einen Paradigmenwechsel dahingehend bewirken, wie die 15 Millionen Menschen, die auf die DRW angewiesen sind, Wasser und Landwirtschaft sehen und wie Landwirte ihr Land verwalten, um Resilienz aufzubauen und negative Auswirkungen auf die Ökosysteme zu verringern. Sauberes Wasser ist an gesunden Boden gebunden, da Böden als natürliche Filtersysteme dienen, um Verunreinigungen zu entfernen, bevor das Wasser Wasserstraßen oder Grundwasserleiter erreicht. Gesunde Böden sind direkt an die Lebensmittel gebunden, die sie produzieren, und die Wahl des Verbrauchers wirkt sich sowohl auf den Boden als auch auf das Wasser aus. Dieses Projekt wird von der William Penn Foundation im Rahmen ihres kontinuierlichen Engagements zur Verbesserung der Qualität der DRW finanziert.
Diese gemeinsame Arbeit im Rahmen des WIT konzentriert sich darauf, wie die Verbesserung der Bodengesundheit die Menge und Qualität des Süßwassers in der DRW unter ökologischen, konservatorischen und konventionellen Bewirtschaftungspraktiken beeinflussen kann. Gesunde Böden und die damit verbundenen Ökosysteme fördern die Infiltration und Speicherung von Regenwasser und tragen dazu bei, Schadstoffe (Sedimente, Nährstoffe und Pestizide) in unterirdischen Grundwasserleitern und Oberflächengewässern, die Menschen und wild lebende Tiere in der DRW unterstützen, zu minimieren. Seit fast 40 Jahren ist Farming Systems Trial (FST) bei Rodale Institute hat zwei ökologische Systeme (Hülsenfrüchte und Gülle) und ein konventionelles Anbausystem mit und ohne Bodenbearbeitung verglichen (2008 ohne Bodenbearbeitung eingeführt). Daten zu Bodengesundheitsparametern, Ernteerträgen, Gewinn, Energieeinsatz und Kohlenstoffbindung haben ergeben, dass der ökologische Landbau höhere Gewinne, geringere Energieeinträge, eine verbesserte Bodengesundheit und weniger Kohlenstoffemissionen aufweist (Pimental et al., 2005). Rodale Institute Die Wissenschaftler des Stroud Water Research Center haben vier untersuchte organische und konventionelle FST-Systeme im Stroud Preserve in West Chester, PA, verglichen, die konventionelle Ackerbau-, Konservierungs-, Bio- und Bio-Direktsaat-Managements unter Mais / Sojabohnen-Systemen vergleichen. Daher wurden am Stroud Preserve Forschungspläne erstellt, die vier FST-Behandlungen entsprechen und die Auswirkungen verschiedener Getreideproduktionsstrategien auf die Bodengesundheit und die Wasserqualität testen. Der Hauptunterschied zwischen zwei untersuchten Standorten beträgt 0-3% Steigung bei FST im Vergleich zu bis zu 15% Steigung bei den Stroud-Schutzgebieten (Figure 1). Die Parameter für Agronomie, Bodengesundheit und Wasserqualität werden während der gesamten sechs Jahre der Studie bewertet, um die jährlichen Klimaschwankungen und die gemessenen Veränderungen des Bodens vollständig zu berücksichtigen.
Methoden
Bodenproben wurden im Januar 0 mit der Giddings-Sonde aus Tiefen von 10-10, 20-20, 30-30, 60-60 und 100-2019 cm durch ein tiefes Bodenbohrverfahren entnommen. Von jeder Parzelle wurden fünf zufällige Bodenproben entnommen. Vier Proben wurden geschnitten und nach Tiefe homogenisiert, um ein einzelnes System / eine einzelne Behandlung darzustellen, und ein Bodenkern voller Länge wurde für die Messung der Schüttdichte beiseite gelegt. Diese homogenisierten oder gemischten repräsentativen Proben wurden an die Bodenanalyselabors der Pennsylvania State University (PSU) und der Cornell University für eine Reihe von chemischen und biologischen Bodenanalysen gesendet, einschließlich SOM, SOC, Boden N, pH, Bodenmakro- und Mikronährstoffe, permanganatoxidierbares C, Bodenatmung, Bodenprotein und potenziell mineralisierbares N.
Zu den untersuchten bodenphysikalischen Parametern gehören die Schüttdichte, die Stabilität der Bodenaggregate, die Penetrationsbeständigkeit als Bodenverdichtung und die Bodeninfiltration. Die Bodenverdichtung wurde mit einem Penetrometer (Abbildung 3A) in der Wurzelzone unter Verwendung von 300 Pfund pro Quadratzoll (psi) als Schwellenwert für den Penetrationswiderstand des Bodens, da die meisten Pflanzenwurzeln den Boden oberhalb der Penetrometerwerte von 300 psi nicht leicht durchdringen können. Die Bodenwasserinfiltration wurde unter Verwendung eines Doppelring-Infiltrometerverfahrens (Abbildung 3B). Beide Bodenfeldtests wurden im Frühjahr und Sommer 2019 durchgeführt.
Bodenporenwasser wurde aus installierten (bei 100 cm) tiefen passiven (Abbildung 4A) und aktive Lysimeter (oder Saugnapf-Lysimeter oder Wasserprobenehmer, die in Tiefen von 15, 30 und 45 cm installiert sind) (Abbildung 4B). Die Boden-Porenwasser-Sickerwasserproben werden zwei- bis dreimal im Jahr aus tiefen Lysimetern entnommen, während die Boden-Porenwasser-Proben mit Saugnapf-Lysimetern nach einem starken Regenfall zweimal im Jahr entnommen werden. Während die passiven Lysimeter Porenwasserproben sammeln, die vor der Entnahme 3-4 Monate in einem großen Behälter gelagert wurden, sind die aktiven Lysimeter so ausgelegt, dass sie zu einer bestimmten Jahreszeit Bodenporenwasserproben sammeln. Somit sind die von passiven Lysimetern gesammelten Porenwasserproben repräsentativ für die kumulative Wasserbiologie und -chemie, während die von aktiven Lysimetern gesammelten Wasserproben die Qualität des kürzlich versickerten Porenwassers nach starken Regenfällen widerspiegeln.
Die Ergebnisse
Dieser Webartikel enthält vorläufige Forschungsergebnisse zur Bodengesundheit und zur Wasserqualität des Bodens sowie Wasserproben, die nur am FST-Standort entnommen wurden, da die Daten des Stroud Preserve verfrüht sind und aufgrund der jüngsten Forschungsergebnisse signifikante Unterschiede bei den unterschiedlichen Managementpraktiken ergeben Grundstücke (gegründet im Jahr 2018). Aufgrund der sehr feuchten Wetterbedingungen während der Bodenprobenahme zu Beginn der Probenahme 2018/2019 (Januar 2019) waren die Eigenschaften des oberen Bodens (0-20 cm) keine typischen Vertreter der in der Vergangenheit dokumentierten FST-Systeme (siehe Abschnitt „ Langjährige Tradition bei FST “), daher werden hier nur wenige wichtige Bodenparameter aus der Grundprobenahme 2019 gezeigt.
Langjährige Tradition bei FST
Langzeitdaten zu SOM, SOC, Boden N und pH (Bodenreaktion) des Oberflächenbodens (0-20 cm) zeigen, dass die SOM seit Beginn (1981) der Studie bei FST unter organischen Bedingungen ( sowohl Hülsenfrüchte als auch Gülle) und konventionelles System, aber der SOM-Gehalt stieg im organischen System im Laufe der Zeit um 17% als im konventionellen System (Abbildung 5). Die Rotations-Bodenbearbeitungspraxis (NT) wurde 2008 in den Langzeit-Bodenbearbeitungsflächen bei FST eingeführt, außer in einigen Fällen zeigte die Bodenbearbeitung keine signifikanten Unterschiede zwischen den getesteten Bodengesundheitsparametern unter organischen und konventionellen Managementsystemen. Obwohl im Jahr 2008 keine Bodenbearbeitung festgestellt wurde, wurden die Daten von bebauten und nicht bebauten Parzellen gemittelt, um eine repräsentative Analyse nur nach System zu erhalten (Figure 5).
Eine Analyse der Bodengesundheitsdaten der letzten 10 Jahre von FST zeigt auch, dass SOC und Boden N unter Kompost- und Hülsenfruchtsystemen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen signifikant erhöht waren, während der pH-Wert des Bodens unter konventionellen und Kompostsystemen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen signifikant höher war Hülsenfruchtsystem (Figure 6). Alle drei Systeme hatten jedoch einen pH-Wert des Bodens im Bereich von 6 bis 7, was für die Verfügbarkeit von Pflanzennährstoffen nicht kritisch schädlich ist. Der signifikante Anstieg des SOC und des Boden-N sowohl unter Hülsenfrüchten als auch unter Kompostsystemen legt nahe, dass ein höherer Eintrag von organischem Kompost und Hülsenfruchtbiomasse auf dem Mutterboden über einen längeren Zeitraum für die Beibehaltung von SOM und möglicherweise die Sequestrierung von SOC und Boden-N unter vorteilhaft ist organische Systeme. Diese Langzeitdaten zur Bodengesundheit unter verschiedenen Systemen bei FST zeigen, dass die Pflanzenproduktion unter organischen Systemen die Bodengesundheit im Laufe der Zeit verbessern kann und somit zur Grundlage für die Einleitung der vorgeschlagenen Studie im Jahr 2018 bei FST und Stroud Preserve wird, um zu testen, ob die Bodengesundheit und die Wasserqualität verbessert sich unter verschiedenen Anbaumethoden in ökologischen und konventionellen Getreideanbausystemen in Pennsylvania.
Grundlegende Bodengesundheitsparameter unter organischen und konventionellen Systemen bei FST
Die vorläufigen Ergebnisse der Bodengesundheit am FST-Standort zeigen, dass SOM, SOC und Boden N (Figure 7) unterschieden sich nicht signifikant zwischen den landwirtschaftlichen Praktiken, insbesondere auf der oberen (bis zu 30 cm) Bodenoberfläche (30-60 cm und 60-90 cm Daten sind nicht gezeigt), und dies steht im Gegensatz zu den traditionellen FST-Ergebnissen auf diese Bodenparameter (Figuren 5 und 6). Diese Inkonsistenz kann auf einen erheblich feuchten Zustand des Bodens während der Probenahme im Januar 2019 zurückgeführt werden, der möglicherweise einige Bodengesundheitsparameter beeinflusst hat, insbesondere auf der Ebene des Oberbodens. Andere Feldmessungen, die im späten Frühjahr oder im Sommer 2019 stattfanden, als sich die feuchte Situation der Felder verbesserte, zeigten jedoch eine Verbesserung der Bodengesundheit. Beispielsweise wurde die Bodenverdichtung im Durchschnitt um 17% signifikant verringert (Figure 8) und die Bodeninfiltration war um das 3.4-fache signifikant erhöht (Figure 9) unter langfristigen organischen im Vergleich zu herkömmlichen Managementpraktiken bei FST. Diese signifikante Abnahme der Bodenverdichtung und die Zunahme der Bodenwasserinfiltration unter organischen Systemen bei FST zeigen den tiefgreifenden Einfluss eines hohen SOM unter organisch bewirtschafteten Parzellen (Figure 5) und möglicherweise höhere Aktivitäten von Regenwürmern und daraus resultierenden Makroporen. Darüber hinaus kann eine höhere Infiltration des Bodenwassers die Wasseraufnahme und die Oberflächenabflussbedingungen, die zur Bodenerosion führen, minimieren.
Grundparameter der Wasserqualität unter organischen und konventionellen Systemen bei FST
Verschiedene Wasserqualitätsparameter wurden mit Passiv- und Saugnapf-Lysimetern (Wasserprobenehmern) gemessen, die in unterschiedlichen Tiefen am FST-Standort installiert waren, wie im Abschnitt „Methoden“ beschrieben (biologische Daten werden hier nicht angegeben). Die passiven Lysimeterdaten werden hier aufgrund der kumulativen Natur der Nährstoffdynamik, die möglicherweise nicht direkt die Wasserqualität in Echtzeit unter verschiedenen Systemen widerspiegelt, nicht angegeben.
Wasserproben, die aus aktiven (Saugnapf-) Lysimetern entnommen wurden, zeigten, dass Chlorid, Nitrit-N und Nitrat-N in höheren Konzentrationen unter herkömmlichen als unter organischen Systemen versickert waren, während das entgegengesetzte Muster bei gelöstem organischem C (DOC) und Sulfat auftrat (Daten) nicht gezeigt) Konzentrationen (Figure 10). Während die Konzentrationen an ausgelaugtem Chlorid, Nitrit-N und Nitrat-N unter herkömmlichen als unter organischen Systemen signifikant höher waren, ist das Volumen des ausgelaugten Wassers erforderlich, um die Gesamtmenge jeder Chemikalie zu verstehen, die aus einem bestimmten Bereich sickert. Im Gegensatz dazu waren die DOC-Konzentrationen in den herkömmlichen Parzellen im Vergleich zu den organischen Parzellen niedriger. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis eines erhöhten SOM in den organischen Böden. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die herkömmlichen Systeme im Vergleich zu untersuchten organischen Systemen signifikant niedrigere Konzentrationen an DOC und höhere Konzentrationen an Nitrit-N, Nitrat-N und Gesamt-N (Daten von passiven Lysimetern nicht gezeigt) auslaugen, was wahrscheinlich Unterschiede in widerspiegelt Menge und Art des Düngemitteleintrags und der Düngerretention in den Böden sowie Unterschiede im Volumen und in den Retentionszeiten des Bodenporenwassers.
Zusammenfassung
Dieser Bericht enthält erste Ergebnisse der 2018 begonnenen Verbundstudie (WIT), die an einem langfristig untersuchten Standort (FST) und einem kürzlich eingerichteten Standort (Stroud Preserve) durchgeführt wurde, um Einblicke in die Bodengesundheit und die daraus resultierende Wasserqualität unter verschiedenen Bedingungen zu erhalten agronomische Managementpraktiken für die Reihenkulturproduktion. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bodenverdichtung und -infiltration durch langfristige organische Bewirtschaftungspraktiken als direktes Ergebnis einer signifikant höheren SOM unter organischen Bedingungen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen signifikant verbessert wurden. Der Trend zur kontinuierlichen Verbesserung der Bodengesundheit bei langfristig organisch bewirtschafteten Parzellen bei FST wurde nur teilweise beobachtet, da bei der ersten Bodenprobenahme im Januar 2019 ein sehr gesättigter oder feuchter Zustand auftrat, der die physikochemischen Eigenschaften des Bodens im Oberboden beeinflusste. Zur Abhilfe wurden im Oktober und November 0 von beiden untersuchten Standorten 10-10, 20-20 und 30-2019 cm Böden erneut beprobt, und alle diese Bodentests wurden wiederholt, um einen Vergleich mit den ursprünglichen Daten durchzuführen.
Das Porenwasser des Bodens kann vor Erreichen des Grundwassers durch ein tieferes Bodenprofil sickern, und daher wird eine noch stärkere Filtration durch das Bodenprofil erwartet. Es wurden signifikant höhere Nitrit-N-, Nitrat-N- und Gesamt-N-Konzentrationen (Daten nicht gezeigt) in Boden-Porenwasserproben unter konventionellen im Vergleich zu organischen Systemen beobachtet, und diese Systeme werden weiterhin über verschiedene Teile der Vegetationsperiode und in Bezug auf diese bewertet zu Gesamtvolumina ausgelaugt, um den Gesamtverlust dieser Verbindungen unterhalb der Wurzelzone zu verstehen. Langzeitdaten von gesammelten Wasserproben zu all diesen Chemikaliengruppen an mehreren Probenahmestellen im Verlauf dieses Projekts werden ein solides Bild der gesamten Biogeochemie der untersuchten Nährstoffe vermitteln.
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Glossar:
DOC: Gelöster organischer Kohlenstoff
FST: Farming Systems Trial bei Rodale Institute
N: Stickstoff
SOC: Organischer Kohlenstoff im Boden
SOM: Bodenorganische Materie
WIT: Watershed Impact Trial
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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der William Penn Foundation unter der Grant Award Nummer 188-17 unterstützt werden. Die in dieser Veröffentlichung geäußerten Meinungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der William Penn Foundation wider. Die Autoren möchten sich auch bei allen Forschungstechnikern und Praktikanten beider bedanken Rodale Instituteund Stroud Water Research Center für die Unterstützung bei verschiedenen Aktivitäten in den Bereichen und Labors.