Ο ρόλος της οργανικής ουσίας στη δομή και στην ποιότητα του εδάφους

Abstract

The agricultural production systems based exclusively on the use of inorganic fertilizers and pesticides aim to maximize agricultural production, without however considering the soil as an ecosystem. This agricultural practice has led to degradation of the environment and the ecosystem services that soil provides, such as food production, filtration and movement of water and nutrients, biodiversity and organic matter storage. Soil quality is directly linked to soil organic matter (SOM) and soil aggregate stability. The application of organic soil improvers for the replenishment of soil organic matter can make a significant contribution to halting the degradation of ecosystem services and to increase primary production. The aim of the dissertation is to study the changes in soil properties and the its services in the Critical Zone, following the application of organic substrates to an experimental field of tomato cultivation, that faces the risk of desertification (loss of organic soil), as a consequence of foreseeable climate change. The key issue is the emergence of a sustainable management of agricultural land in Greece, with the addition of organic substrates, combining increased agricultural yields with improved soil functions and environmental quality.This thesis presents a holistic and interdisciplinary approach to soil quality improvement, which combines field study with simulation. The study was carried out in two stages: a) the field experiment, where organic products such as compost from municipal solid waste (compost MSW), digested manure derived from sheep and goats, crop residues and weeds were applied to a tomato crop on a yearly basis and the changes in the physical and chemical properties of the soil and the growth of crops were monitored; and (b) modeling the results of the experimental field for the quantification and correlation of soil ecosystems services. The control treatment used in this field experiment was inorganic fertilization. The simulation was carried out with the 1D-Integrated Critical Zone Model, 1D-ICZ, which has been developed within the framework of the SoilTrEC research project. 1D-ICZ model simulates the changes in biomass and the transformations and accumulation of carbon and nutrients in relation to changes in soil structure, water filtration capacity and biodiversity.The results of the field experiment showed that the agricultural practice of applying organic soil improvers significantly increased the organic matter of the soil, enriching it with the necessary quantities of available nitrogen and phosphorus for the growth of the crop. The application of organic substrates has enhanced the physical structure of the soil both on a monthly and an annual basis. The application of compost significant improved water stable aggregation. In general, compost had a significant effect on soil aggregation and enrichment with soil organic matter, however its incorporation into the soil did not result in complete coverage of the crop with the necessary quantities of N and P. The use of a mixture of compost and manure shows the best results because it combines the positive effect of compost on the soil structure with the beneficial effect of manure that have in microbial population and the availability of nutrients. The simulation of the field data for all treatments was fulfilled with great success. The model was able to represent the biomass production, the dynamics of the formation of water-stable aggregates and the dynamics of carbon and nutrient accumulation in different WSA sizes, as well as the water filtration and the efficiency of transport of substances in the soil solution, in the various treatments. The calibrated simulations finally led to the quantification of key territorial function indicators.The simulations eventually led to the quantification of the key soil functions. Quantification of territorial functions can be used to develop soil sustainability indicators to assess the compensatory benefits between different agro-ecological practices and agricultural land management practices. These indicators could also be incorporated into life cycle assessment methodologies, as in the case of selecting the best urban solid waste management method, as well as for assessing investment projects that concern the production of organic amendments applicable to sustainable agriculture.

Τα συστήματα αγροτικής παραγωγής που στηρίζονται αποκλειστικά στη χρήση ανόργανων λιπασμάτων και σκευασμάτων φυτοπροστασίας έχουν ως σκοπό τη μεγιστοποίηση της γεωργικής παραγωγής, χωρίς ωστόσο να θεωρείται το έδαφος ως ένα οικοσύστημα. Η παραπάνω αγροτική πρακτική έχει οδηγήσει σε υποβάθμιση του περιβάλλοντος και των οικοσυστημικών υπηρεσιών που προσφέρει το έδαφος, όπως είναι η παραγωγή τροφής, η διήθηση και η μετακίνηση του νερού και των θρεπτικών συστατικών, η βιοποικιλότητα και αποθήκευση οργανικής ύλης. Η ποιότητα του εδάφους και οι λειτουργίες που αυτό επιτελεί συνδέονται άμεσα με την περιεκτικότητα του εδάφους σε οργανική ύλη (soil organic matter, SOM) και τη σταθερότητα των συσσωματωμάτων στην επίδραση του νερού. Η εφαρμογή οργανικών εδαφοβελτιωτικών για την αναπλήρωση της οργανικής ύλης του εδάφους, μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην ανάσχεση της υποβάθμισης των οικοσυστημικών υπηρεσιών και της αύξησης της παραγωγής. Στόχος της διατριβής είναι η μελέτη των μετασχηματισμών των ιδιοτήτων του εδάφους και των υπηρεσιών που προσφέρει στην Κρίσιμη Ζώνη (ΚΖ) της Γης, μετά από την εφαρμογή οργανικών εδαφοβελτιωτικών σε έναν πειραματικό αγρό καλλιέργειας τομάτας, που αντιμετωπίζει άμεσα τον κίνδυνο της ερημοποίησης (απώλεια της οργανικής ουσίας στο έδαφος), ως συνέπεια των προβλεπόμενων κλιματικών αλλαγών. Βασικό ζητούμενο είναι η ανάδειξη μιας αειφόρου διαχείρισης των γεωργικών εδαφών στην Ελλάδα, με την προσθήκη οργανικών υποστρωμάτων, συνδυάζοντας αυξημένες γεωργικές αποδόσεις με τη βελτίωση των εδαφικών λειτουργιών και της ποιότητας του περιβάλλοντος. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια ολιστική και διεπιστημονική προσέγγιση της βελτίωσης της ποιότητας του εδάφους, η οποία συνδυάζει μελέτη πεδίου με προσομοίωση των αποτελεσμάτων. Η μελέτη υλοποιήθηκε σε δύο στάδια: α) το πείραμα αγρού, όπου εφαρμόστηκαν σε ετήσια βάση οργανικά προϊόντα, όπως κόμποστ από αστικά στερεά απόβλητα (κόμποστ ΑΣΑ), χωνεμένη κοπριά αιγοπροβάτων, υπολείμματα καλλιέργειας και αγριόχορτα, σε μία καλλιέργεια τομάτας, και μελετήθηκαν οι μεταβολές των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του εδάφους και η ανάπτυξη των καλλιεργειών σε βραχυχρόνια (μήνες), αλλά και μακροχρόνια βάση (4 έτη), και β) τη μοντελοποίηση των αποτελεσμάτων του πειραματικού αγρού, για την ποσοτικοποίηση και συσχέτιση των οικοσυστημικών υπηρεσιών που προσφέρει το έδαφος. Για τη σύγκριση των μεταχειρίσεων που εφαρμόστηκαν κόμποστ ΑΣΑ και κοπριά, χρησιμοποιήθηκε ως μάρτυρας η εφαρμογή ανόργανης συμβατικής λίπανσης. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με το Μονοδιάστατο Ολοκληρωμένο Μοντέλο Κρίσιμης Ζώνης Εδάφους (1D-Integrated Critical Zone, 1D-ICZ), που αναπτύχθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού έργου SoilTrEC. Με το μοντέλο αυτό είναι δυνατόν να προσομοιωθούν οι μεταβολές της βιομάζας και οι μετασχηματισμοί και δέσμευση του άνθρακα και των θρεπτικών συστατικών, σε σχέση με τις μεταβολές της δομής του εδάφους, της διηθητικής ικανότητας του νερού και της βιοποικιλότητας.Τα αποτελέσματα του πειράματος στο πεδίο έδειξαν ότι η αγροτική πρακτική της εφαρμογής οργανικών εδαφοβελτιωτικών αύξησε σημαντικά την οργανική ουσία του εδάφους, εμπλουτίζοντάς το με τις απαραίτητες ποσότητες διαθέσιμου αζώτου και φωσφόρου για την ανάπτυξη της καλλιέργειας. Η εφαρμογή των οργανικών υποστρωμάτων ενίσχυσε τη φυσική δομή του εδάφους τόσο σε μηνιαία όσο και σε ετήσια κλίμακα. Οι μεγαλύτερες αυξήσεις της σταθερότητας των συσσωματωμάτων στη διαβροχή παρατηρήθηκαν στο έδαφος που εφαρμόστηκε κόμποστ ΑΣΑ. Γενικά, το κόμποστ ΑΣΑ είχε σημαντική επίδραση στη συσσωμάτωση και στον εμπλουτισμό του εδάφους με εδαφική οργανική ύλη. Η χρήση μίγματος κόμποστ και κοπριάς εμφανίζει τα καλύτερα αποτελέσματα γιατί συνδυάζει τη θετική επίδραση του κόμποστ στη δομή του εδάφους, με το ωφέλιμο μικροβιακό φορτίο και τα θρεπτικά συστατικά που προσφέρει η κοπριά για την ανάπτυξη της καλλιέργειας. Η προσομοίωση των δεδομένων αγρού για όλες τις μεταχειρίσεις στέφθηκε από μεγάλη επιτυχία. Το μοντέλο είναι σε θέση να αναπαραστήσει την παραγωγή βιομάζας, τη δυναμική του σχηματισμού υδατοσταθερών συσσωματωμάτων και τη δυναμική της δέσμευσης του άνθρακα και των θρεπτικών συστατικών στα διαφορετικά μεγέθη WSA, καθώς επίσης και τη μεταβλητότητα της διήθησης και της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς των ουσιών στο εδαφικό διάλυμα, στις διάφορες μεταχειρίσεις. Οι βαθμονομημένες προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν οδήγησαν εν τέλει στην ποσοτικοποίηση δεικτών βασικών εδαφικών λειτουργιών. Η ποσοτικοποίηση των εδαφικών λειτουργιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη δεικτών αειφορίας του εδάφους, προς αξιολόγηση των αντισταθμιστικών οφελών μεταξύ διαφορετικών αγρο-οικολογικών πρακτικών και πρακτικών διαχείρισης αγροτικής γης. Οι παραπάνω δείκτες θα μπορούσαν, επίσης, να ενσωματωθούν σε μεθοδολογίες αξιολόγησης του κύκλου ζωής προϊόντων και υπηρεσιών όπως π.χ. για την επιλογή της καλύτερης μεθόδου διαχείρισης αποβλήτων, καθώς και για την ορθότερη αξιολόγηση επενδυτικών σχεδίων που αφορούν τη δημιουργία οργανικών προϊόντων κατάλληλων για την αειφόρο γεωργία.