由A. Mukherjee撰写*1,比尔,R。2,欧蒙迪,E。1,坎,J。2,丹尼尔斯,M。2

介绍

截至2011年,全球162个国家/地区仅使用0.86%的耕地(37.2万公顷)进行有机耕作(FiBL 2016)。 每个农业决策都有可能影响土壤质量,有机农业实践也不例外。 例如,有机管理的土壤通常具有较高的土壤有机质(SOM),pH,土壤有机碳(SOC)和土壤氮(SON),大量和微量营养素,生物活性以及较低的压实度和堆积密度(BD) )与常规处理的土壤相比(Sheoran等人2019; Lori等人2017; Das等人2017; Reganold,Elliott和Unger 1987)。 过去的许多研究表明,有机农业可以在短期和长期试验中以及在广阔的地理区域内改善土壤理化参数。 一些研究还表明,与传统耕作相比,有机耕作在干旱或营养缺乏等气候挑战性条件下的农作物产量更高,这主要是由于土壤条件的显着改善(Pimentel等人,2005)。 此外,与传统的传统农业相比,有机农业也可能影响农业的环境影响(Tuomisto等人,2012a; Puech等人,2014; Lee等人,2015)。 例如,最近的一项荟萃​​分析使用了107项研究,并且从360-1977年发表了2012项观察结果,表明与传统农业相比,有机农业显着提高了能源效率,减少了温室气体的排放(Lee,Choe,and Park 2015) 。 使用来自欧洲的71项研究进行的另一项荟萃分析表明,有机农场的单位面积平均有机质较高,并且通过每单位田地浸出(氮)和气态排放物(一氧化二氮和氨气)的养分损失较低,并且能源需求较低。 但是,该分析还表明,有机系统比常规系统具有更高的土地利用,富营养化和酸化潜力(Tuomisto等人,2012b)。

项目详情

特拉华河流域(DRW)(约13,500英里2)可为约5%的美国人口提供清洁的饮用水,是纽约(NY),新泽西(NJ),宾夕法尼亚(PA)和特拉华(DE)居民的主要娱乐和工业区,其年度经济价值25亿美元。 Rodale Institute 斯特劳德水研究中心和斯特劳德水研究中心已开始了一项为期6年的长期研究,教育和外展项目,该项目名为流域影响试验(WIT),始于2018年,旨在解决采用节水农业实践的障碍。 该项目将在15万依赖DRW的人们如何看待水和农业,以及农民如何管理其土地以建立抵御力和减少对生态系统的负面影响方面带来范式转变。 清洁水与健康土壤息息相关,因为土壤可以作为自然过滤系统,在水到达水道或含水层之前清除污染物。 健康的土壤与它们生产的食物直接相关,消费者的选择会影响土壤和水。 该项目由威廉·佩恩基金会(William Penn Foundation)资助,这是他们对改善DRW质量的持续承诺的一部分。

WIT下的这项合作工作着眼于在有机,保护和常规管理实践下,如何增强土壤健康状况如何影响DRW中的淡水数量和质量。 健康的土壤及其相关的生态系统可促进水的渗透和雨水的存储,并有助于将地下蓄水层和地表水道中的污染物(沉积物,养分和杀虫剂)减至最少,从而为DRW中的人类和野生生物提供支持。 近40年,农业系统试验(FST) Rodale Institute 一直在比较两种有机(豆科植物和肥料)系统,以及一种有耕种和无耕种的传统耕作系统(2008年开始实行免耕)。 有关土壤健康参数,作物产量,利润,能量输入和碳固存的数据表明,有机农业具有更高的利润,更低的能量输入,增强的土壤健康和更少的碳排放(Pimental等,2005)。 Rodale Institute 斯特劳德水研究中心的科学家与宾夕法尼亚州西切斯特斯特劳德保护区的四种FST有机和常规系统进行了匹配,比较了玉米/大豆系统下常规耕种,保护性免耕,有机耕种和有机免耕管理。 因此,在斯特劳德保护区建立了研究用地,以匹配四种FST处理,以测试不同谷物生产策略对土壤健康和水质的影响。 两个研究地点之间的主要区别是FST的坡度为0-3%,而斯特劳德保护区的坡度最高为15%(图1)。 在整个研究的六年中,正在评估农艺,土壤健康和水质参数,以全面考虑每年的气候波动以及测得的土壤变化。

图1: 研究地点的土壤图。 左:切斯特县。 右:伯克斯县。

方法

在0年10月,使用Giddings探针通过深层土壤取芯法收集了土壤样品,深度分别为10-20、20-30、30-60、60-100和2019-XNUMX cm。从每个样地收集了五个随机土壤样品,切下四个样品,并按深度进行均质处理,以代表一个系统/处理,并留出一个全长土壤芯进行体积密度测量。 将这些均质的或混合的代表性样品发送到宾夕法尼亚州立大学(PSU)和康奈尔大学的土壤分析实验室,以进行许多土壤化学和生物学分析,包括SOM,SOC,土壤N,pH,土壤宏观分析和微量营养元素,高锰酸盐可氧化碳,土壤呼吸,土壤蛋白质和潜在的可矿化氮。

图2: FST和Stroud位置的深层土壤取芯。

正在研究的土壤物理参数包括堆积密度,土壤团聚体稳定性,土壤压实的渗透阻力和土壤入渗。 使用渗透计(图3A)在根部区域使用300磅/平方英寸(psi)作为土壤的阈值穿透阻力,因为大多数农作物根部都无法轻易穿透300 psi渗透计读数的土壤。 使用双环渗透仪测定土壤水分的渗透率(图3B)。 这两个土壤田间试验均在2019年春季和夏季进行。

图3: 渗透仪A)和双环渗透仪(B).

从已安装(100厘米)深的被动(图4A),主动渗漏计(或吸盘渗漏计或以15、30和45厘米深度安装的水采样器)(图4B)。 每年两次从深层测渗仪中收集土壤孔隙渗滤液样品,每年两次,而大雨后每年两次使用吸盘渗析仪收集土壤孔隙水样品。 被动式溶渗仪收集的孔隙水样品已在大容器中收集,然后再收集3-4个月,而主动式溶渗仪则设计为在一年中的特定时间收集土壤孔隙水样品。 因此,从被动测渗仪收集的孔隙水样品代表了累积的水生物学和化学性质,而通过主动测渗仪收集的水样品反映了暴雨后最近渗透的孔隙水的质量。

图4A: 土壤孔隙水收集(被动式溶渗仪)的位置。
图4B:土壤孔隙水收集(主动渗漏计)。 PRENART EQUIPMENT v / DMR A / S的线条图。

成果

本文仅介绍了土壤健康,土壤水质以及从FST地点收集的水样品的初步研究结果,因为在最近的研究建立过程中,斯特劳德保护区的数据在对比管理方法下尚不成熟,因此无法产生任何重大差异地块(于2018年建立)。 由于在最初的基准2018/2019(2019年0月)采样时间进行土壤采样期间的天气条件非常潮湿,因此过去记录的顶部(20-2019 cm)土壤特征不是FST系统的典型代表(请参见“ FST的长期传统”),因此这里仅显示了XNUMX年基准土壤采样中最重要的几个土壤参数。

FST的长期传统

关于表层土壤(0-20 cm)的SOM,SOC,土壤N和pH值(土壤反应)的长期数据表明,从FST研究开始(1981年)开始,尽管在有机条件下SOM一直在增加。包括豆科植物和肥料)和常规系统,但有机肥料的SOM水平随时间推移比常规系统提高了17%(图5)。 在2008年FST的长期耕地中引入了轮作免耕(NT)做法,但是在少数情况下,在有机和常规管理制度下,测试的土壤健康参数之间的耕作没有显着差异。 因此,尽管在2008年建立了免耕法,但对耕作和无耕地的数据进行了平均,仅得到系统的代表性分析(图5).

图5: SOM随时间变化。

对FST过去10年土壤健康数据的分析还表明,与常规系统相比,堆肥和豆科植物系统中的SOC和土壤N显着增加,而与常规系统相比,土壤pH则显着更高。豆类系统(图6)。 但是,这三个系统的土壤pH值都在6-7范围内,这不会严重损害植物养分的利用率。 豆类和堆肥系统中SOC和土壤N的显着增加表明,长期长期表土上有机堆肥和豆类生物量的较高投入有利于保持土壤有机质,并可能隔离SOC和土壤N。有机系统。 这些关于FST不同系统下土壤健康的长期数据表明,有机系统下的作物生产可以随着时间的推移改善土壤健康,因此成为FST在2018年启动拟议研究的基础,Stroud Preserve可以测试土壤健康,在宾夕法尼亚州的有机和传统谷物种植系统中,通过各种耕作方式,水质得以改善。

图6: FST 2009-2018年的平均土壤健康数据。

FST有机和常规系统下的基线土壤健康参数

FST所在地土壤健康的初步结果表明,SOM,SOC和土壤氮(图7),在耕作方式之间没有显着差异,尤其是在顶部土壤(最高30厘米)(未显示30-60厘米和60-90厘米的数据)上,这与传统的FST结果相反这些土壤参数(数字5 以及 6)。 这种不一致可能归因于2019年2019月采样期间土壤的明显潮湿状态,这可能影响了某些土壤健康参数,尤其是在表层土壤水平。 然而,在田野的潮湿状况有所改善的其他春季田间测量于17年春末或XNUMX年夏季进行,表明土壤健康状况得到改善。 例如,土壤压实度平均降低了XNUMX%(图8),土壤的渗透率显着提高了3.4倍(图9)与FST的常规管理做法相比,具有长期的有机优势。 在FST下,土壤紧实度的显着降低以及有机系统下土壤水分入渗的增加表明,有机管理地块下高SOM的深远影响(图5),并可能导致更高的higher活动性以及由此产生的大孔。 此外,较高的土壤水分入渗量可以最大程度地减少水浸和导致土壤侵蚀的地表径流情况。

图7: WIT的初始采样阶段在FST中选择的土壤健康参数。
图8: FST下的土壤压实。
图9: FST下的土壤渗透。

FST有机和常规系统下的基线水质参数

如“方法”部分所述,通过安装在FST位置不同深度的被动式和吸盘式测渗仪(水采样器)测量了各种水质参数(此处未报告生​​物学数据)。 由于养分动态的累积性质可能无法直接反映各种系统下的“实时”水质,因此这里没有报告被动式溶渗仪数据。

图10: 土壤孔隙水中的氯化物,DOC,亚硝酸盐-N和硝酸盐-N。

从主动式(真空吸盘)测湿仪收集的水样表明,在常规浓度下,有机物中的氯化物,亚硝酸盐-N和硝酸盐-N的渗透浓度更高,而溶解的有机碳(DOC)和硫酸盐则相反。未显示)浓度(图10)。 尽管在常规条件下,浸出的氯化物,亚硝酸盐-N和硝酸盐-N的浓度显着高于有机体系,但浸出的水量对于了解从给定区域渗出的每种化学物质的总量是必不可少的。 相比之下,相对于有机地块,传统地块中的DOC浓度较低。 这可能是有机土壤中SOM增加的结果。 因此,总体而言,这些结果表明,与研究的有机系统相比,常规系统浸出的DOC浓度明显降低,而亚硝酸盐-N,硝酸盐-N和总氮的浓度更高(未显示被动蒸渗仪的数据),这可能反映了肥料在土壤中的输入量和类型以及在土壤中的保留量,以及土壤孔隙水的体积和保留时间的差异。

总结

本报告提供了一项于2018年开始的合作研究(WIT)的初步结果,该研究使用了长期研究地点(FST)和最近建立的地点(Stroud Preserve),以便了解土壤健康以及各种环境下的水质大田作物生产的农艺管理规范。 初步结果表明,通过长期的有机管理实践,土壤的压实和渗透作用得到了显着改善,这是与传统系统相比,有机处理下SOM显着提高的直接结果。 在FST的长期有机管理地块下,土壤健康持续改善的趋势仅部分被观察到,这是由于2019年0月的初始基准土壤采样期间土壤非常饱和或潮湿,影响了表层土壤的理化特性。 作为补救措施,分别在10月和10年20月从两个研究地点对20-30、2019-XNUMX和XNUMX-XNUMX cm的土壤进行了重新采样,并重复了所有这些土壤测试以与初始数据进行比较。

在进入地下水之前,土壤孔隙水可能会渗透到更深的土壤剖面中,因此,预期通过土壤剖面进行更多的过滤。 与有机系统相比,常规方式下土壤孔隙水样品中的亚硝酸盐-N,硝酸盐-N和总氮浓度显着提高(数据未显示),并且将继续在生长季节的不同部分以及对这些系统进行评估总浸出量以了解这些化合物在生根区以下的总损失。 在整个项目过程中,从所有这些化学物质组的多个采样点收集的水样的长期数据将描绘出所研究养分的整体生物地球化学的完整图像。

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名词解释:

DOC:溶解的有机碳
FST:的农业系统试验 Rodale Institute
N:氮
SOC:土壤有机碳
SOM:土壤有机质
WIT:分水岭影响试验

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本材料基于威廉·佩恩基金会在188-17号授予资助下的工作。 本出版物中表达的观点仅代表作者,不一定反映威廉·佩恩基金会的观点。 作者还要感谢所有的研究技术人员和实习生 Rodale Institute以及斯特劳德水研究中心,以协助进行田野和实验室中的各种活动。