Scritto da Mukherjee, A. *1, Birra, R.2, Omondi, E.1, Kan, J.2, Daniels, M.2
Introduzione
Nel 2011, l'agricoltura biologica veniva praticata in 162 paesi in tutto il mondo utilizzando solo lo 0.86%, ovvero 37.2 milioni di ettari di terreno agricolo (FiBL 2016). Ogni decisione agricola ha il potenziale per influenzare la qualità del suolo e le pratiche di agricoltura biologica non fanno eccezione. Ad esempio, i suoli gestiti in modo biologico di solito hanno una maggiore materia organica del suolo (SOM), pH, carbonio organico del suolo (SOC) e azoto del suolo (SON), macro e micro nutrienti, attività biologica e compattazione e densità apparente inferiori (BD ) rispetto ai suoli gestiti convenzionalmente (Sheoran et al.2019; Lori et al.2017; Das et al.2017; Reganold, Elliott e Unger 1987). Numerosi studi precedenti hanno indicato che l'agricoltura biologica può migliorare i parametri fisico-chimici del suolo in esperimenti sia a breve che a lungo termine e in vaste aree geografiche. Alcuni studi hanno anche indicato che la gestione biologica potrebbe avere una maggiore resa delle colture in condizioni meteorologiche sfidate come la siccità o le aree impoverite di nutrienti rispetto all'agricoltura convenzionale principalmente a causa del miglioramento significativo delle condizioni del suolo (Pimentel et al. 2005). Inoltre, l'agricoltura biologica può anche influenzare gli impatti ambientali dell'agricoltura rispetto all'agricoltura convenzionale tradizionale (Tuomisto et al. 2012a; Puech et al. 2014; Lee et al. 2015). Ad esempio, una recente meta-analisi che utilizza 107 studi e 360 osservazioni pubblicate dal 1977 al 2012 suggerisce che l'efficienza energetica migliorata in modo significativo e la riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) sono state associate all'agricoltura biologica rispetto a quella convenzionale (Lee, Choe e Park 2015) . Un'altra meta-analisi condotta utilizzando 71 studi europei mostra che le aziende agricole biologiche avevano una SOM più elevata e minori perdite di nutrienti attraverso la lisciviazione (azoto) e le emissioni gassose (protossido di azoto e ammoniaca) per unità di campo e minori requisiti energetici. Tuttavia, questa analisi rivela anche che i sistemi organici avevano un maggiore potenziale di utilizzo del suolo, eutrofizzazione e acidificazione rispetto ai sistemi convenzionali (Tuomisto et al. 2012b).
Dettagli del progetto
Il Delaware River Watershed (DRW) (circa 13,500 mi2) fornisce acqua potabile pulita a circa il 5% della popolazione degli Stati Uniti ed è un'importante area ricreativa e industriale per i residenti di New York (NY), New Jersey (NJ), Pennsylvania (PA) e Delaware (DE) con un valore di $ 25 miliardi. Rodale Institute e lo Stroud Water Research Center hanno avviato un progetto a lungo termine di ricerca, istruzione e divulgazione, denominato Watershed Impact Trial (WIT), per un periodo di 6 anni, a partire dal 2018, volto ad affrontare gli ostacoli all'adozione di pratiche agricole di conservazione dell'acqua. Questo progetto produrrà un cambio di paradigma nel modo in cui i 15 milioni di persone che dipendono dalla DRW vedono l'acqua e l'agricoltura e come gli agricoltori gestiscono la loro terra per costruire resilienza e ridurre gli impatti negativi sugli ecosistemi. L'acqua pulita è legata a un suolo sano perché i terreni agiscono come sistemi di filtrazione naturale per rimuovere i contaminanti prima che l'acqua raggiunga i corsi d'acqua o le falde acquifere. I suoli sani sono legati direttamente agli alimenti che producono e la scelta dei consumatori influisce sia sul suolo che sull'acqua. Questo progetto è finanziato dalla William Penn Foundation come parte del loro impegno continuo per migliorare la qualità del DRW.
Questo lavoro di collaborazione nell'ambito di WIT si concentra su come il miglioramento della salute del suolo possa influenzare la quantità e la qualità dell'acqua dolce nella DRW secondo pratiche di gestione organiche, di conservazione e convenzionali. Suoli sani e i loro ecosistemi associati promuovono l'infiltrazione dell'acqua e lo stoccaggio dell'acqua piovana e aiutano a ridurre al minimo i contaminanti (sedimenti, nutrienti e pesticidi) nelle falde acquifere sotterranee e nei corsi d'acqua superficiali che supportano gli esseri umani e la fauna selvatica nella DRW. Per quasi 40 anni, Farming Systems Trial (FST) presso Rodale Institute ha confrontato due sistemi biologici (legumi e letame) e un sistema di agricoltura convenzionale con e senza lavorazione del terreno (non lavorazione del terreno introdotta nel 2008). I dati sui parametri di salute del suolo, i raccolti, il profitto, l'input energetico e il sequestro del carbonio hanno rivelato che l'agricoltura biologica ha profitti maggiori, input energetici inferiori, salute del suolo migliorata e meno emissioni di carbonio (Pimental et al., 2005). Rodale Institute e gli scienziati dello Stroud Water Research Center hanno messo a confronto quattro sistemi biologici e convenzionali studiati di FST presso la Stroud Preserve di West Chester, Pennsylvania, che confronta le gestioni convenzionali coltivate, non coltivate, coltivate organiche e non lavorate organiche con sistemi mais / soia. Pertanto, sono stati stabiliti appezzamenti di ricerca a Stroud Preserve per abbinare quattro trattamenti FST che testano gli impatti di diverse strategie di produzione di grano sulla salute del suolo e sulla qualità dell'acqua. La differenza principale tra due località studiate è una pendenza dello 0-3% all'FST rispetto alla pendenza fino al 15% delle parcelle della riserva di Stroud (Figure 1 ). I parametri agronomici, di salute del suolo e di qualità dell'acqua vengono valutati nel corso degli interi sei anni dello studio per tenere pienamente conto delle fluttuazioni climatiche annuali e dei cambiamenti misurati nel suolo.
Metodi
I campioni di terreno sono stati raccolti con il metodo di carotaggio del suolo profondo utilizzando la sonda Giddings da 0-10, 10-20, 20-30, 30-60 e 60-100 cm di profondità nel gennaio 2019. Cinque campioni di terreno casuali sono stati raccolti da ciascun appezzamento, quattro campioni sono stati tagliati e omogeneizzati in profondità per rappresentare un singolo sistema / trattamento e un nucleo del suolo a tutta lunghezza è stato messo da parte per la misurazione della densità apparente. Questi campioni rappresentativi omogeneizzati o misti sono stati inviati ai laboratori di analisi del suolo della Pennsylvania State University (PSU) e della Cornell University per una serie di analisi chimiche e biologiche del suolo, tra cui SOM, SOC, suolo N, pH, macro del suolo e micronutrienti, permanganato C ossidabile, respirazione del suolo, proteine del suolo e potenziale mineralizzabile N.
I parametri fisici del suolo che vengono studiati includono densità apparente, stabilità degli aggregati del suolo, resistenza alla penetrazione come compattazione del suolo e infiltrazione del suolo. La compattazione del suolo è stata determinata utilizzando un penetrometro (Figura 3A) nella zona delle radici utilizzando 300 libbre per pollice quadrato (psi) come soglia di resistenza alla penetrazione del terreno perché la maggior parte delle radici delle colture non può penetrare facilmente nel terreno oltre le letture del penetrometro di 300 psi. L'infiltrazione dell'acqua nel suolo è stata determinata utilizzando il processo di infiltrometro a doppio anello (Figura 3B). Entrambi questi test sul campo del suolo sono stati eseguiti nella primavera e nell'estate del 2019.
L'acqua interstiziale del suolo è stata campionata da una profondità passiva installata (a 100 cm) (Figura 4A) e lisimetri attivi (o lisimetri a ventosa o campionatori d'acqua installati a profondità di 15, 30 e 45 cm) (Figura 4B). I campioni di percolato di acqua interstiziale del suolo vengono raccolti da lisimetri profondi due o tre volte l'anno, mentre i campioni di acqua interstiziale del suolo mediante lisimetri a ventosa vengono raccolti due volte l'anno dopo un evento di forti piogge. Mentre i lisimetri passivi raccolgono campioni di acqua interstiziale che sono stati conservati in un grande contenitore per 3-4 mesi prima della raccolta, i lisimetri attivi sono progettati per raccogliere campioni di acqua interstiziale del suolo in un determinato periodo dell'anno. Pertanto, i campioni di acqua interstiziale raccolti da lisimetri passivi sono rappresentativi della biologia dell'acqua cumulativa e della chimica, mentre i campioni di acqua raccolti dai lisimetri attivi riflettono la qualità dell'acqua interstiziale percolata di recente dopo una forte pioggia.
Risultati
Questo articolo web presenta i risultati della ricerca preliminare sulla salute del suolo e sulla qualità dell'acqua dal suolo, e campioni di acqua raccolti dalla posizione FST solo poiché i dati della Stroud Preserve sono prematuri per produrre differenze significative in pratiche di gestione contrastanti a causa della recente creazione della ricerca parcelle (istituito nel 2018). A causa delle condizioni meteorologiche molto umide durante il campionamento del suolo durante il periodo di campionamento iniziale 2018/2019 (gennaio 2019), le caratteristiche del suolo superiore (0-20 cm) non erano rappresentanti tipici dei sistemi FST come documentato in passato (vedere la sezione " Tradizione a lungo termine al FST "), quindi qui vengono mostrati solo alcuni dei parametri del suolo più importanti dal campionamento del suolo di base del 2019.
Tradizione a lungo termine in FST
I dati a lungo termine su SOM, SOC, suolo N e pH (reazione del suolo) della superficie del suolo (0-20 cm) indicano che dall'inizio (1981) dello studio a FST, sebbene SOM sia aumentato sotto organico ( sia legumi che letame) e convenzionale, ma il livello di SOM è aumentato del 17% nel tempo con il sistema biologico rispetto a quello convenzionale (Figura 5). La pratica Rotational No-tillage (NT) è stata introdotta nelle parcelle coltivate a lungo termine presso FST nel 2008, tuttavia, tranne in pochi casi, la lavorazione del terreno non ha mostrato differenze significative nei sistemi di gestione organici e convenzionali tra i parametri di salute del suolo testati. Pertanto, sebbene nel 2008 sia stata stabilita la non lavorazione del terreno, è stata calcolata la media dei dati delle parcelle coltivate e non lavorate per ottenere un'analisi rappresentativa solo per sistema (Figure 5 ).
Un'analisi dei dati sulla salute del suolo degli ultimi 10 anni da FST indica anche che il SOC e l'N del suolo erano significativamente aumentati con il compost e i sistemi di legumi rispetto al sistema convenzionale, mentre il pH del suolo era significativamente più alto con il sistema convenzionale e il compost rispetto a sistema leguminoso (Figure 6 ). Tuttavia, tutti e tre i sistemi avevano un pH del suolo compreso tra 6 e 7, il che non è dannoso per la disponibilità di nutrienti delle piante. Il significativo aumento del SOC e del suolo-N sia nei sistemi di leguminose che in quelli di compost suggeriscono che un maggiore apporto di compost organico e biomassa di legumi sul terriccio a lungo termine è utile per trattenere il SOM, e possibilmente sequestrare il SOC e il suolo-N sotto sistemi organici. Questi dati a lungo termine sulla salute del suolo in vari sistemi a FST indicano che la produzione di colture in sistemi organici può migliorare la salute del suolo nel tempo e quindi diventare la base per avviare lo studio proposto nel 2018 a FST e Stroud Preserve per testare se la salute del suolo, e la qualità dell'acqua migliora con varie pratiche agricole in sistemi di coltivazione di grano biologico e convenzionale in Pennsylvania.
Parametri di base della salute del suolo in sistemi biologici e convenzionali a FST
I risultati preliminari della salute del suolo nella posizione FST mostrano che SOM, SOC e suolo N (Figure 7 ), non erano significativamente differenti tra le pratiche agricole, specialmente sulla superficie del suolo superiore (fino a 30 cm) (i dati di 30-60 cm e 60-90 cm non sono mostrati), e questo è in contrasto con i tradizionali risultati FST su questi parametri del suolo (Figure 5 e 6). Questa incoerenza può essere attribuita a condizioni significativamente umide del suolo durante il campionamento nel gennaio 2019 che potrebbero aver influenzato alcuni parametri di salute del suolo, specialmente a livello del suolo. Tuttavia, altre misurazioni sul campo che hanno avuto luogo nella tarda primavera o nell'estate del 2019, quando la situazione umida dei campi è migliorata, mostrano un miglioramento della salute del suolo. Ad esempio, in media, la compattazione del suolo è stata notevolmente ridotta del 17% (Figure 8 ) e l'infiltrazione del suolo è stata notevolmente aumentata di 3.4 volte (Figure 9 ) in regime biologico a lungo termine rispetto alle pratiche di gestione convenzionali presso FST. Questa significativa diminuzione della compattazione del suolo e l'aumento dell'infiltrazione di acqua nel suolo sotto sistemi organici a FST indicano la profonda influenza dell'alto SOM in parcelle gestite organicamente (Figure 5 ), e forse maggiori attività dei lombrichi e dei conseguenti macropori. Inoltre, una maggiore infiltrazione di acqua nel suolo può ridurre al minimo il ristagno idrico e le condizioni di deflusso superficiale che portano all'erosione del suolo.
Parametri di qualità dell'acqua di base in sistemi biologici e convenzionali a FST
Vari parametri di qualità dell'acqua sono stati misurati da lisimetri passivi ea ventosa (campionatori d'acqua) installati a diverse profondità nella posizione FST come descritto nella sezione "Metodi" (i dati biologici non sono riportati qui). I dati del lisimetro passivo non sono riportati qui a causa della natura cumulativa delle dinamiche dei nutrienti che potrebbero non riflettere direttamente la qualità dell'acqua "in tempo reale" nei vari sistemi.
I campioni di acqua raccolti da lisimetri attivi (a ventosa) hanno indicato che cloruro, nitrito-N e nitrato-N sono stati filtrati a concentrazioni più elevate in sistemi convenzionali rispetto a quelli organici, mentre il modello opposto si è verificato con C organico disciolto (DOC) e solfato (dati non mostrato) concentrazioni (Figure 10 ). Mentre le concentrazioni di cloruro lisciviato, nitrito-N e nitrato-N erano significativamente più alte nei sistemi convenzionali rispetto a quelli organici, il volume di acqua lisciviato è necessario per comprendere la quantità totale di ciascuna sostanza chimica che percola da una data area. Al contrario, le concentrazioni di DOC erano inferiori nelle parcelle convenzionali rispetto a quelle organiche. Questo è probabilmente il risultato dell'aumento della SOM nei terreni organici. Pertanto, collettivamente questi risultati suggeriscono che i sistemi convenzionali stanno lisciviando concentrazioni significativamente più basse di DOC e concentrazioni più elevate di nitrito-N, nitrato-N e N totale (dati da lisimetri passivi non mostrati) rispetto ai sistemi organici studiati, riflettendo probabilmente differenze di la quantità e il tipo di fertilizzante in ingresso e di ritenzione nei terreni, nonché le differenze nel volume e nei tempi di ritenzione dell'acqua interstiziale del suolo.
Sommario
Questo rapporto fornisce i risultati iniziali dello studio collaborativo (WIT) avviato nel 2018 utilizzando una posizione studiata a lungo termine (FST) e una posizione recentemente istituita (Stroud Preserve) al fine di ottenere informazioni sulla salute del suolo e la conseguente qualità dell'acqua sotto vari pratiche di gestione agronomica per la produzione di colture a file. I risultati iniziali suggeriscono che la compattazione e l'infiltrazione del suolo sono state notevolmente migliorate dalle pratiche di gestione organica a lungo termine come risultato diretto di un SOM significativamente più alto nel sistema biologico rispetto al sistema convenzionale. La tendenza al miglioramento continuo della salute del suolo negli appezzamenti gestiti biologicamente a lungo termine presso FST è stata osservata solo parzialmente a causa di condizioni molto sature o umide durante il campionamento iniziale del suolo di base nel gennaio 2019 che ha influenzato le proprietà fisico-chimiche del suolo nel suolo superficiale. In soluzione, i suoli di 0-10, 10-20 e 20-30 cm sono stati ricampionati in ottobre e novembre 2019 da entrambe le località studiate e tutti questi test del suolo sono stati ripetuti per fare un confronto con i dati iniziali.
L'acqua interstiziale del suolo può filtrare attraverso il profilo del suolo più profondo prima di raggiungere la falda freatica, e quindi è prevista una filtrazione ancora maggiore da parte del profilo del suolo. Sono state osservate concentrazioni significativamente più elevate di nitrito-N, nitrato-N e N totale (dati non mostrati) nei campioni di acqua interstiziale del suolo con sistema convenzionale rispetto al sistema organico, e questi sistemi continueranno a essere valutati in diverse parti della stagione di crescita e con rispetto ai volumi totali lisciviati per comprendere la perdita totale di questi composti al di sotto della zona di radicazione. I dati a lungo termine dai campioni di acqua raccolti su tutti questi gruppi chimici in più punti di campionamento nel corso di questo progetto rappresenteranno un quadro completo della biogeochimica generale dei nutrienti studiati.
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Glossario:
DOC: Carbonio organico disciolto
FST: Farming Systems Trial presso Rodale Institute
N: azoto
SOC: carbonio organico del suolo
SOM: materia organica del suolo
WIT: Prova di impatto di Watershed
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Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dalla William Penn Foundation con il Grant Award Number 188-17. Le opinioni espresse in questa pubblicazione sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della William Penn Foundation. Gli autori desiderano inoltre ringraziare tutti i tecnici di ricerca e gli stagisti di entrambi Rodale Institutee lo Stroud Water Research Centre per l'assistenza in varie attività nei campi e nei laboratori.
