Escrito por Mukherjee, A. *1, Bier, R.2, Omondi, E.1, Kan, J.2, Daniels, M.2

Introducción

En 2011, la agricultura orgánica se practicaba en 162 países de todo el mundo utilizando solo el 0.86%, o 37.2 millones de hectáreas de tierras agrícolas (FiBL 2016). Cada decisión agrícola tiene el potencial de influir en la calidad del suelo y las prácticas agrícolas orgánicas no son una excepción. Por ejemplo, los suelos manejados orgánicamente generalmente tienen mayor materia orgánica del suelo (MOS), pH, carbono orgánico del suelo (COS) y nitrógeno del suelo (SON), macro y micronutrientes, actividad biológica y menor compactación y densidad aparente (BD ) en comparación con suelos manejados convencionalmente (Sheoran et al.2019; Lori et al.2017; Das et al.2017; Reganold, Elliott y Unger 1987). Varios estudios anteriores indicaron que la agricultura orgánica puede mejorar los parámetros fisicoquímicos del suelo en experimentos tanto a corto como a largo plazo, y en vastas áreas geográficas. Algunos estudios también indicaron que el manejo orgánico podría tener un mayor rendimiento de los cultivos en condiciones climáticas desafiantes como la sequía o áreas con agotamiento de nutrientes en comparación con la agricultura convencional principalmente debido a la condición del suelo significativamente mejorada (Pimentel et al. 2005). Además, la agricultura orgánica también puede influir en los impactos ambientales de la agricultura en comparación con la agricultura convencional tradicional (Tuomisto et al. 2012a; Puech et al. 2014; Lee et al. 2015). Por ejemplo, un metaanálisis reciente que utilizó 107 estudios y 360 observaciones publicadas entre 1977 y 2012 sugiere que la eficiencia energética y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) significativamente mejoradas se asociaron con la agricultura orgánica que con la convencional (Lee, Choe y Park 2015). . Otro metanálisis realizado utilizando 71 estudios de Europa muestra que las granjas orgánicas tenían mayor MOS y menores pérdidas de nutrientes por lixiviación (nitrógeno) y emisiones gaseosas (óxido nitroso y amoníaco) por unidad de campo y menores requerimientos de energía. Sin embargo, este análisis también revela que los sistemas orgánicos tenían un mayor potencial de uso de la tierra, eutrofización y acidificación que los sistemas convencionales (Tuomisto et al. 2012b).

Detalles del proyecto

La cuenca del río Delaware (DRW) (aproximadamente 13,500 millas2) proporciona agua potable limpia para aproximadamente el 5% de la población de EE. UU. y es una importante área recreativa e industrial para los residentes de Nueva York (NY), Nueva Jersey (NJ), Pensilvania (PA) y Delaware (DE) con una valor de $ 25 mil millones. Rodale Institute y Stroud Water Research Center han comenzado un proyecto de investigación, educación y divulgación a largo plazo, llamado Watershed Impact Trial (WIT), durante un período de 6 años, a partir de 2018, con el objetivo de abordar las barreras para la adopción de prácticas agrícolas de conservación del agua. Este proyecto producirá un cambio de paradigma en la forma en que los 15 millones de personas que dependen del DRW ven el agua y la agricultura, y cómo los agricultores administran sus tierras para generar resiliencia y reducir los impactos negativos en los ecosistemas. El agua limpia está ligada a un suelo saludable porque los suelos actúan como sistemas de filtración natural para eliminar los contaminantes antes de que el agua llegue a los cursos de agua o acuíferos. Los suelos saludables están directamente vinculados a los alimentos que producen y la elección del consumidor afecta tanto al suelo como al agua. Este proyecto está financiado por la Fundación William Penn como parte de su compromiso continuo para mejorar la calidad del DRW.

Este trabajo colaborativo bajo WIT se enfoca en cómo la mejora de la salud del suelo puede influir en la cantidad y calidad del agua dulce en el DRW bajo prácticas de manejo orgánico, de conservación y convencional. Los suelos saludables y sus ecosistemas asociados promueven la infiltración de agua y el almacenamiento de agua de lluvia y ayudan a minimizar los contaminantes (sedimentos, nutrientes y pesticidas) en los acuíferos subterráneos y las vías fluviales superficiales que sustentan a los humanos y la vida silvestre en el DRW. Durante casi 40 años, Farming Systems Trial (FST) en Rodale Institute ha estado comparando dos sistemas orgánicos (leguminosas y estiércol) y un sistema agrícola convencional con y sin labranza (labranza cero introducida en 2008). Los datos sobre parámetros de salud del suelo, rendimiento de cultivos, ganancias, insumo de energía y secuestro de carbono han revelado que la agricultura orgánica tiene mayores ganancias, menores insumos de energía, mejor salud del suelo y menos emisiones de carbono (Pimental et al., 2005). Rodale Institute y los científicos del Centro de Investigación del Agua Stroud emparejaron cuatro sistemas de FST orgánicos y convencionales estudiados en Stroud Preserve en West Chester, PA que comparan los sistemas de labranza convencional, labranza cero de conservación, labranza orgánica y sin labranza orgánica bajo sistemas de maíz / soja. Por lo tanto, se establecieron parcelas de investigación en Stroud Preserve para que coincidieran con cuatro tratamientos FST que prueban los impactos de diferentes estrategias de producción de granos en la salud del suelo y la calidad del agua. La principal diferencia entre dos ubicaciones estudiadas es de 0-3% de pendiente en FST en comparación con hasta 15% de pendiente en las parcelas de la reserva Stroud (Figura 1). Los parámetros agronómicos, de salud del suelo y de calidad del agua se están evaluando durante los seis años completos del estudio para dar cuenta de las fluctuaciones climáticas anuales y los cambios medidos en el suelo.

Figura 1: Mapas de suelos de los lugares estudiados. Izquierda: condado de Chester. Derecha: condado de Berks.

Métodos

Las muestras de suelo se recolectaron mediante el método de extracción de muestras de suelo profundo utilizando la sonda Giddings de profundidades de 0-10, 10-20, 20-30, 30-60 y 60-100 cm en enero de 2019. Se recolectaron cinco muestras de suelo aleatorias de cada parcela, se cortaron cuatro muestras y se homogeneizaron por profundidad para representar un solo sistema / tratamiento, y se reservó un núcleo de suelo de longitud completa para medir la densidad aparente. Estas muestras representativas homogeneizadas o mezcladas se enviaron a los laboratorios de análisis de suelos de la Universidad Estatal de Pensilvania (PSU) y la Universidad de Cornell para una serie de análisis químicos y biológicos del suelo que incluyen MOS, COS, N del suelo, pH, macro y micronutrientes, permanganato C oxidable, respiración del suelo, proteína del suelo y N. potencial mineralizable

Figura 2: Extracción de testigos de suelo profundo en ubicaciones de FST y Stroud.

Los parámetros físicos del suelo que se están estudiando incluyen la densidad aparente, la estabilidad de los agregados del suelo, la resistencia a la penetración como compactación del suelo y la infiltración del suelo. La compactación del suelo se determinó mediante penetrómetro (Figura 3A) en la zona de la raíz utilizando 300 libras por pulgada cuadrada (psi) como umbral de resistencia a la penetración del suelo porque la mayoría de las raíces de los cultivos no pueden penetrar fácilmente el suelo por encima de las lecturas del penetrómetro de 300 psi. La infiltración de agua del suelo se determinó mediante un proceso de infiltrómetro de anillo doble (Figura 3B). Ambas pruebas de campo de suelo se realizaron en la primavera y el verano de 2019.

Figura 3: Penetrómetro (A) e infiltrómetro de anillo doble (B).

Se tomaron muestras de agua de los poros del suelo de instalados (a 100 cm) de profundidad pasiva (Figura 4A) y lisímetros activos (o lisímetros de ventosa, o muestreadores de agua instalados a 15, 30 y 45 cm de profundidad) (Figura 4B). Las muestras de lixiviados de agua intersticial del suelo se recolectan de lisímetros profundos dos o tres veces al año, mientras que las muestras de agua intersticial del suelo utilizando lisímetros de ventosa se recolectan dos veces al año después de un evento de fuertes lluvias. Mientras que los lisímetros pasivos recolectan muestras de agua intersticial que han sido almacenadas en un recipiente grande durante 3-4 meses antes de la recolección, los lisímetros activos están diseñados para recolectar muestras de agua intersticial del suelo en la época específica del año. Por lo tanto, las muestras de agua intersticial recolectadas de lisímetros pasivos son representativas de la biología y química del agua acumuladas, mientras que las muestras de agua recolectadas por los lisímetros activos reflejan la calidad del agua intersticial recientemente filtrada después de una fuerte lluvia.

Figura 4A: Ubicaciones de recolección de agua intersticial del suelo (lisímetros pasivos).
Figura 4B: Recolección de agua intersticial del suelo (lisímetros activos). Dibujo lineal de PRENART EQUIPMENT v / DMR A / S.

Resultados

Este artículo web presenta los resultados preliminares de la investigación sobre la salud del suelo y la calidad del agua del suelo, y las muestras de agua recolectadas de la ubicación de FST solo porque los datos de Stroud Preserve son prematuros para producir diferencias significativas bajo prácticas de manejo contrastantes debido al establecimiento muy reciente de la investigación parcelas (establecidas en 2018). Debido a las condiciones climáticas muy húmedas durante el muestreo del suelo en el período de muestreo de la línea base inicial 2018/2019 (enero de 2019), las características del suelo superior (0-20 cm) no eran representantes típicos de los sistemas FST como se documenta en el pasado (consulte la sección “ Tradición a largo plazo en FST ”), por lo que aquí solo se muestran algunos de los parámetros de suelo más importantes del muestreo de suelo de referencia de 2019.

Tradición a largo plazo en FST

Los datos a largo plazo sobre MOS, COS, N del suelo y pH (reacción del suelo) de la superficie del suelo (0-20 cm) indican que desde el comienzo (1981) del estudio en FST, aunque la MOS ha ido aumentando en condiciones orgánicas ( tanto leguminosas como estiércol) y convencional, pero el nivel de MOS aumentó en un 17% con el tiempo en el sistema orgánico que en el convencional (Figura 5). La práctica de labranza cero rotacional (NT) se introdujo en las parcelas labradas a largo plazo en FST en 2008, sin embargo, excepto en algunos casos, la labranza no mostró diferencias significativas bajo los sistemas de manejo orgánicos y convencionales entre los parámetros de salud del suelo probados. Por lo tanto, aunque la labranza cero se estableció en 2008, los datos de las parcelas labradas y no labradas se promediaron para obtener un análisis representativo solo por sistema (Figura 5).

Figura 5: La dinámica de la MOS a lo largo del tiempo.

Un análisis de los datos de salud del suelo de los últimos 10 años de FST también indica que el COS y el N del suelo aumentaron significativamente en los sistemas de compost y leguminosas en comparación con el sistema convencional, mientras que el pH del suelo fue significativamente más alto en los sistemas convencionales y de compost en comparación con sistema de leguminosasFigura 6). Sin embargo, los tres sistemas tenían un pH del suelo dentro del rango de 6-7, lo que no es críticamente dañino para la disponibilidad de nutrientes para las plantas. El aumento significativo en el COS y el N del suelo tanto en los sistemas de leguminosas como de compost sugiere que un mayor aporte de compost orgánico y biomasa de leguminosas en la capa superior del suelo a largo plazo es beneficioso para retener la MOS y posiblemente secuestrar el COS y el N del suelo en sistemas orgánicos. Estos datos a largo plazo sobre la salud del suelo bajo varios sistemas en FST indican que la producción de cultivos bajo sistemas orgánicos puede mejorar la salud del suelo con el tiempo y, por lo tanto, se convierte en la base para iniciar el estudio propuesto en 2018 en FST y Stroud Preserve para probar si la salud del suelo, y la calidad del agua mejoran con diversas prácticas agrícolas en sistemas de cultivo de cereales orgánicos y convencionales en Pensilvania.

Figura 6: Datos promedio de salud del suelo de 2009-2018 en FST.

Parámetros de línea base de salud del suelo bajo sistemas orgánicos y convencionales en FST

Los resultados preliminares de la salud del suelo en la ubicación FST muestran que la MOS, el COS y el N del suelo (Figura 7), no fueron significativamente diferentes entre las prácticas agrícolas, especialmente en la superficie superior del suelo (hasta 30 cm) (no se muestran datos de 30-60 cm y 60-90 cm), y esto contrasta con los resultados tradicionales de FST en estos parámetros del suelo (Figuras 5 y 6). Esta inconsistencia puede atribuirse a una condición significativamente húmeda del suelo durante el muestreo en enero de 2019 que puede haber afectado algunos parámetros de salud del suelo, especialmente en el nivel de la capa superficial del suelo. Sin embargo, otras mediciones de campo que se llevaron a cabo a fines de la primavera o el verano de 2019, cuando la situación de humedad de los campos mejoró, muestran una mejora en la salud del suelo. Por ejemplo, en promedio, la compactación del suelo se redujo significativamente en un 17% (Figura 8), y la infiltración del suelo se incrementó significativamente en 3.4 veces (Figura 9) bajo prácticas orgánicas a largo plazo en comparación con las prácticas de gestión convencionales en FST. Esta disminución significativa en la compactación del suelo y el aumento en la infiltración de agua del suelo bajo sistemas orgánicos en FST indica la profunda influencia de una alta MOS en parcelas manejadas orgánicamente (Figura 5), y posiblemente una mayor actividad de las lombrices de tierra y los macroporos resultantes. Además, una mayor infiltración de agua en el suelo puede minimizar el anegamiento y las condiciones de escorrentía superficial que conducen a la erosión del suelo.

Figura 7: Parámetros de salud del suelo seleccionados en FST durante la fase de muestreo inicial de WIT.
Figura 8: Compactación del suelo bajo FST.
Figura 9: Infiltración del suelo bajo FST.

Parámetros de referencia de la calidad del agua en sistemas orgánicos y convencionales en FST

Se midieron varios parámetros de calidad del agua a partir de lisímetros pasivos y de ventosa (muestreadores de agua) instalados a diferentes profundidades en la ubicación del FST como se describe en la sección "Métodos" (los datos biológicos no se informan aquí). Los datos del lisímetro pasivo no se informan aquí debido a la naturaleza acumulativa de la dinámica de los nutrientes que puede no reflejar directamente la calidad del agua en “tiempo real” en varios sistemas.

Figura 10: Cloruro, DOC, nitrito-N y nitrato-N en el agua intersticial del suelo.

Las muestras de agua recolectadas de lisímetros activos (ventosa) indicaron que el cloruro, el nitrito-N y el nitrato-N se filtraron en concentraciones más altas en los sistemas convencionales que en los orgánicos, mientras que el patrón opuesto ocurrió con el C orgánico disuelto (DOC) y el sulfato (datos no mostrado) concentraciones (Figura 10). Si bien las concentraciones de cloruro, nitrito-N y nitrato-N lixiviados fueron significativamente más altas en los sistemas convencionales que en los orgánicos, el volumen de agua que se lixivió es necesario para comprender la cantidad total de cada químico que se filtra en un área determinada. Por el contrario, las concentraciones de DOC fueron más bajas en las parcelas convencionales en relación con las parcelas orgánicas. Este es probablemente el resultado de un aumento de la MOS en los suelos orgánicos. Por lo tanto, colectivamente estos resultados sugieren que los sistemas convencionales están lixiviando concentraciones significativamente más bajas de DOC y concentraciones más altas de nitrito-N, nitrato-N y N total (datos de lisímetros pasivos no mostrados) en comparación con los sistemas orgánicos estudiados, probablemente reflejando diferencias en la cantidad y tipo de fertilizante aportado y retención en los suelos, así como las diferencias en el volumen y tiempos de retención del agua de los poros del suelo.

Resumen

Este informe proporciona los resultados iniciales del estudio colaborativo (WIT) iniciado en 2018 utilizando una ubicación estudiada a largo plazo (FST) y una ubicación recientemente establecida (Stroud Preserve) con el fin de obtener información sobre la salud del suelo y la consiguiente calidad del agua en varios prácticas de manejo agronómico para la producción de cultivos en hileras. Los resultados iniciales sugieren que la compactación e infiltración del suelo mejoraron significativamente mediante las prácticas de manejo orgánico a largo plazo como resultado directo de una MOS significativamente más alta bajo el sistema orgánico en comparación con el sistema convencional. La tendencia de mejora continua de la salud del suelo en parcelas manejadas orgánicamente a largo plazo en FST solo se observó parcialmente debido a una condición muy saturada o húmeda durante el muestreo inicial del suelo de línea base en enero de 2019 que afectó las propiedades fisicoquímicas del suelo en la capa superior del suelo. En remedio, se volvieron a muestrear suelos de 0-10, 10-20 y 20-30 cm en octubre y noviembre de 2019 de ambos lugares estudiados, y todas estas pruebas de suelo se repitieron para hacer una comparación con los datos iniciales.

El agua de los poros del suelo puede filtrarse a través del perfil del suelo más profundo antes de llegar al agua subterránea y, por lo tanto, se espera una filtración aún mayor por parte del perfil del suelo. Se observaron concentraciones significativamente más altas de nitrito-N, nitrato-N y N total (datos no mostrados) en muestras de agua intersticial del suelo bajo sistemas convencionales en comparación con orgánicos, y estos sistemas continuarán evaluándose en diferentes partes de la temporada de crecimiento y con respecto a los volúmenes totales lixiviados para comprender la pérdida total de estos compuestos debajo de la zona de enraizamiento. Los datos a largo plazo de las muestras de agua recolectadas sobre todos estos grupos químicos en múltiples puntos de muestreo durante el transcurso de este proyecto representarán una imagen sólida de la biogeoquímica general de los nutrientes estudiados.

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Glosario:

DOC: Carbono orgánico disuelto
FST: Prueba de sistemas agrícolas en Rodale Institute
N: nitrógeno
SOC: Carbono orgánico del suelo
SOM: Materia orgánica del suelo
WIT: Prueba de impacto de la cuenca

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Este material se basa en el trabajo respaldado por la Fundación William Penn con el número de concesión de subvención 188-17. Las opiniones expresadas en esta publicación pertenecen a los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la Fundación William Penn. Los autores también quieren agradecer a todos los técnicos de investigación y pasantes de ambos Rodale Institutey Stroud Water Research Center por ayudar en diversas actividades en los campos y laboratorios.