Interaction of cultivation practices with soil organic matter, greenhouse gas emissions and soil structure

Abstract

The agricultural systems endure further pressure due to the constantly growing needs. Farmers are asked to find ways to minimize energy consumption, the production costs and decrease the adverse effects to the environment. Conservation agriculture practices can offer reduced energy consumption and also considerable environmental benefits such as soil organic matter increase and reduction of GHG emissions. In a three years field experiment the effect of two energy crop rotations, including double cropping per year, and five tillage treatments on soil organic matter (SOM) and nutrients content were studied, under total aerial biomass removal. The five (5) tillage treatments tested were: conventional tillage (CT) by ploughing at depth 25-30 cm, reduced tillage using heavy cultivator (HC) at depth 20-25 cm, reduced tillage using a rotary cultivator (RC) at depth 12 -15 cm, reduced tillage using a disc harrow(DH/STR) at depth 5-8 cm for winter crops and strip tillage using a new design machine for the spring sown crop, and no till (NT) by direct sowing with no till seeders. At 0-15 cm depth for crop rotation A, SOM presented a statistically significant increase in the no-till (NT) and disc harrow/strip tillage (DH/STR) treatments while for crop rotation B, SOM increased statistically significantly for (NT), (DH/STR) and (RC) treatments. At the same soil layer, an increase of available P, Cu, Zn and Mn, was observed while K available forms were decreased, for both rotations. At the 15-30 cm soil depth in crop rotation A, no statistically significant differences of SOM were observed; in crop rotation B the rotary cultivator (RC), heavy cultivator (HC) and conventional tillage (CT) showed a statistically significantly higher SOM content, after three years of cultivation. At the 0-30 cm depth, soil organic matter (SOM) increased in both rotations and all tillage treatments, but only in the no-till (NT) treatment the difference was statistically significant. These results offer a solution to avoid soil degradation when all above ground biomass will be removed if second generation biofuels will offer an economic solution to energy shortages and environmental impact of GHG emissions from fossil fuels. Aggregate stability is very important to evaluate soil health which is especially related to soil organic matter. In this work the stability of soil aggregates was investigated under the five different tillage practices. In order to determine and evaluate the disintegration of soil aggregates and estimate the wet aggregate stability indices, two methods were applied in the aggregates. The stability was measured by the wet sieving technique and compared to the laser diffraction method, using the Malvern Mastersizer 2000 Diffraction Instrument (Malvern Instruments Ltd.). In both methods the samples were subjected to different pre-treatments (fast wetting, slow wetting, benzene, ethanol). The wet sieving method, although precise is a less rapid and integrated method compared to laser diffraction, in assessing soil aggregate stability. Finally the whole research was concluded by an automated image analysis, using the Malvern Morphologi G3 instrument (Malvern Instruments Ltd.), which determined the morphology of soil aggregates, always followed by the different pre-treatments. Soils emit to the atmosphere GHGs through root respiration, microbial activity and chemical decay process. Soils are one of the largest sources and sinks of GHGs, especially of CO2, N2O, CH4. During this experiment GHGs were studied in order to analyse how these five tillage methods affect the emissions. The measurements were performed using static chambers placed in the ground. Gas fluxes were measured in every tillage treatment using the static chamber method and analyzing the gas samples collected in glass vials. The determination of CO2, N2O, CH4 was carried out using Gas Chromatography. NT among the treatments presented the minimum effect in both rotations. The least environmentally friendly was DH and RC for crop rotation A and B respectively.

Τα γεωργικά συστήματα υφίστανται περαιτέρω πίεση λόγω των συνεχώς αυξανόμενων αναγκών. Οι αγρότες καλούνται να βρουν τρόπους για να ελαχιστοποιήσουν την κατανάλωση ενέργειας, το κόστος παραγωγής και να μειώσουν τις αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι γεωργικές πρακτικές διατήρησης μπορούν να προσφέρουν μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη, όπως αύξηση της οργανικής ύλης του εδάφους και η μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Σε ένα πείραμα αγρού τριών ετών, μελετήθηκε η επίδραση δύο αμειψισπορών ενεργειακών φυτών, σε συνδυασμό με πέντε είδη κατεργασίας εδάφους στην οργανική ουσία και στις θρεπτικές ουσίες του εδάφους, υπό ολική συγκομιδή ολόκληρου του υπέργειου τμήματος των καλλιεργειών. Τα πέντε είδη κατεργασίας που μελετήθηκαν ήταν: συμβατική κατεργασία με όργωμα σε βάθος 25-30 εκ., μειωμένη κατεργασία με βαρύ καλλιεργητή σε βάθος 20-25 εκ., μειωμένη κατεργασία με περιστροφικό καλλιεργητή σε βάθος 12-15 εκ., μειωμένη κατεργασία με δισκοσβάρνα σε βάθος 5-8 εκ., κατεργασία με strip και ακαλλιέργεια με απευθείας σπορά. Στο 0-15 εκ βάθος για την αμειψισπορά Α, η οργανική ουσία παρουσίασε στατιστικώς σημαντική αύξηση στην ακαλιέργεια και δισκοσβάρνα ενώ στην αμειψισπορά Β, η οργανική ουσία αυξήθηκε στατιστικώς σημαντικά στην ακαλιέργεια, δισκοσβάρνα και περιστροφικό καλλιεργητή. Στο ίδιο βάθος παρατηρήθηκε αύξηση στις διαθέσιμες μορφές φωσφόρου, χαλκού, ψευδαργύρου και μαγγανίου ενώ οι διαθέσιμες μορφές καλίου μειώθηκαν και στις δυο αμειψισπορές. Στο βάθος 15-30 εκ στην αμειψισπορά Α, δε παρατηρήθηκαν στατιστικώς σημαντικές διαφορές στην οργανική ουσία. Στην αμειψισπορά Β, ο περιστροφικός καλλιεργητής, ο βαρύς καλλιεργητής και η συμβατική κατεργασία παρουσίασαν στατιστικώς σημαντική αύξηση στην οργανική ουσία μετά τα τρία έτη καλλιέργειας. Στο βάθος 0-30 εκ η οργανική ουσία αυξήθηκε και στις δύο αμειψισπορές και σε όλες τις κατεργασίες. Μονάχα στην ακαλιέργεια η διαφορά ήταν στατιστικώς σημαντική. Τα αποτελέσματα αυτά προσφέρουν μια λύση για την αποφυγή της υποβάθμισης του εδάφους όταν αφαιρεθεί η υπέργεια βιομάζα εφόσον τα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς θα προσφέρουν μια οικονομική λύση στις ελλείψεις ενέργειας και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από ορυκτά καύσιμα. Η σταθερότητα των συσσωματωμάτων είναι πολύ σημαντική για την εκτίμηση της εδαφικής υγείας η οποία συνδέεται άμεσα με την οργανική ουσία. Στην εργασία αυτή η σταθερότητα των συσσωματωμάτων μελετήθηκε υπό τα πέντε είδη κατεργασίας εδάφους. Προκειμένου να καθοριστεί και να εκτιμηθεί η αποσύνθεση των συσσωματωμάτων και να υπολογισθούν οι δείκτες σταθερότητας των συσσωματωμάτων, δυο μέθοδοι εφαρμόσθηκαν στα συσσωματώματα. Η σταθερότητα μετρήθηκε με την τεχνική υγρού κοσκινίσματος και συγκρίθηκε με τη μέθοδο περίθλαση λέιζερ, με τη βοήθεια του Malvern Mastersizer 2000 Diffactions Instrument (Malvern Instruments Ltd.). Και στις δυο μεθόδους τα δείγματα υποβλήθηκαν σε διαφορετικές προ-επεξεργασίες (γρήγορη διαβροχή, αργή διαβροχή, βενζόλιο, αιθανόλη). Η μέθοδος υγρού κοσκινίσματος, αν και ακριβής είναι μια λιγότερο γρήγορη και ολοκληρωμένη μέθοδος σε σύγκριση με τη με λέιζερ, για την αξιολόγηση της σταθερότητας του εδάφους. Τέλος η όλη μελέτη ολοκληρώθηκε με μια αυτοματοποιημένη ανάλυση εικόνας, χρησιμοποιώντας το όργανο Malvern Morphologi G3 (Malvern Instruments Ltd.), το οποίο καθορίζει τη μορφολογία των συσσωματωμάτων εδάφους, ακολουθούμενη πάντα από τις διάφορες προ-επεξεργασίες. Τα εδάφη εκπέμπουν στην ατμόσφαιρα αέρια του θερμοκηπίου μέσω της αναπνοής των ριζών, της μικροβιακής δραστηριότητας και της διαδικασίας χημικής αποσύνθεσης. Τα εδάφη είναι μια από τις μεγαλύτερες πηγές αερίων του θερμοκηπίου, ιδίως CO2, N2O, CH4. Κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος, τα αέρια του θερμοκηπίου μελετήθηκαν προκειμένου να αναλυθεί πώς αυτά τα πέντε είδη κατεργασίας επηρεάζουν τις εκπομπές. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση στατικών θαλάμων που τοποθετήθηκαν στο έδαφος. Οι ροές αερίου μετρήθηκαν σε κάθε κατεργασία χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του στατικού θαλάμου και αναλύοντας τα δείγματα αερίου που συλλέχθηκαν σε γυάλινα φιαλίδια. Ο προσδιορισμός των CO2, N2O, CH4 πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας αέρια χρωματογραφία. Μεταξύ των κατεργασιών, η ακαλιέργεια είναι αυτή που είχε την μικρότερη επίδραση και στις δυο αμειψισπορές. Οι λιγότερο φιλικές προς το περιβάλλον κατεργασίες ήταν η δισκοσβάρνα και ο περιστροφικός καλλιεργητής για τις αμειψισπορές Α και Β αντίστοιχα.