Investigation of agroforestry systems as measures of pollution reduction from fertilizers and pesticides in soils

Abstract

In recent decades and due to the constant need for higher yields and better-quality agricultural production, agrochemical pollution has become a key issue of global concern for environmental protection services and rural development agencies, which usually requires to be addressed at its source. The basis of the issue lies mainly in the lack of implementation of the Best Management Practices (BMP) as well as in the non-observance of the rules of Good Agricultural Practices (GAP) proposed for each crop according to the directives 1107/2009/EC and 2009/128/EC. Problems arising from the environmental transportation of fertilizers and plant protection products need not only prevention but also treatment, as they affect the health of the ecosystems and, in certain cases, may threaten public health. Thus, today, man is faced with the need to design and implement cropping systems capable of simultaneously protecting the environment and keeping agricultural productivity high.Nitrates and phosphates originating from fertilizers are considered to be the most common and hazardous constituents reaching surface and ground water, and posing risks to the environment and human health; thus, these substances have been addressed in the EU legislation over the last 25 years (i.e., via the Nitrates directive 91/676/EEC). Due to the extent of non-point source agricultural pollution, protective measures to control agrochemicals from entering aquatic systems are necessary. As such, several mitigation techniques have been proposed for the reduction of the pollutants entering the aquatic systems, including among other vegetative buffer strips, no spray buffer zones, runoff collection and treatment systems and alley cropping systems such as Agroforestry. Agroforestry, i.e., the common cultivation of crops and trees, is based on the hypothesis that trees, with their deeper and wider roots, create a protective net underneath crops, thus minimizing pollutant leaching to groundwater or transportation to surface water recipients. In this thesis, the pollution reduction efficiency of alley cropping agroforestry against nutrient and pesticide residues used in agriculture is studied.The aim of the present research was: a) the investigation of the efficiency of agroforestry systems in the removal of excess nutrients and pesticides that would elsewhere leach in ground- or surface waters, b) the experimental assessment of these systems particularly for the Greek cultivating practices, climate and tree-crop combinations, c) the development and validation of novel pesticide residue detection methods for the soil matrix, d) the understanding of the fate and behavior of pesticides in agroforestry systems compared to monocrop systems (with relation to their half-lives and physicochemical properties, and e) the prediction of field findings with mathematical modelling results. For this reason, several agroforestry systems have been evaluated regarding their pollution reduction using common Mediterranean tree-crop combinations. As such, in the context of the present research and in order to comprehensively examine the effectiveness of agroforestry systems, both experimental data from field sampling and calculations from a relevant pollution control and simulation model (RZWQM2) are presented.In total four different experimental plots were established, having a row of trees on one side and crops sown in parallel, up to 7 m from the tree array, covering thus approx. 70-100 m2 in any case. Each plot comprised of four different sampling points (SP1 to SP4), where SP1 is the one adjacent to the tree row and SP4 is the furthest one, working as the control point due to non-presence of tree roots. Detailed analysis for each tree-crop combination is presented below.The soil samples were taken from the field from different depths (0-60 cm with proportional divisions per depth) of the experimental fields and from variable distance from the root system of the tree array (1 to 7 m from the tree array). Sampling was repeated every 20-35 days (depending on the weather conditions), starting right before the time of sowing and application of agrochemicals, in order to fully examine the background concentrations and the corresponding movement of each soil contaminant in a short period of time after application.The first experiment was run during spring-summer of 2015 and consisted of maize-olive trees, in a field located at Koropi, Greece. The monitored pollutants were nitrogen and phosphorus ions and two commonly used maize herbicides (pendimethalin and nicosulfuron).For the second year, the efficiency of two agroforestry systems, a potato-poplar and a maize-poplar, was assessed in an experimental plot located in Athens, Greece, during the 2016 cultivating period. The studied pollutants were N, P K ions, and the herbicides pendimethalin, its metabolite M455H001, s-metolachlor, as well as the insecticide chlorpyrifos.As regards the last field experiment, the efficiency of a wheat-poplar agroforestry system was investigated in an experimental plot located in Athens, Greece during the spring-summer cultivating period of 2017. The monitored pollutants were NO3--N, NO2--N, NH4+-N and PO43--P ions, and the herbicides pendimethalin, its metabolite M455H001, iodosulfuron-methyl-sodium and mesosulfuron-methyl-sodium.Both nutrients originating from fertilizers and pesticides were analyzed from soil samples derived from the pilot agroforestry fields. Soil samples obtained from the experimental fields were separately prepared before analysis, following a simple dissolution in water for nutrients, and a harsh acidic solvent extraction for pesticides. Then, nutrient analysis was carried out at the National Technical University of Athens, whereas pesticide residues were determined at the Benaki Phytopathological Institute, where the appropriate equipment existed. Pollutant concentrations in soils were determined using Liquid Chromatography tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) for pesticide residues, and Ion Chromatography (IC) for nutrient determination, whereas for the first-year samples only, spectrophotometry technique was used in addition in order to quantify ammonium ions. The analytical results indicated that planting of trees in cultivated fields can contribute to the reduction of agrochemical pollution of the subsurface soil and in extension of groundwater. In more detail, the maize-olive tree system exhibited the potential to reduce pollutant migration, with removals ranging between 36.8-78.9% for NO3--N, 79.3-100% for NO2--N, 76.7-100% for NH4+-N, 79.4-100% for PO43--P and 70-100% for the examined herbicides. Experiments for the potato-poplar system exhibited reductions of more than 86% for K+, 90% for NO3--N, 92% for NH4+-N, 85% for NO2--N, and up to 100% for PO43--P. Accordingly, for the maize-poplar system, reductions were more than 73% for K+, at least 77% for NO3--N, approximately 77% for NO2--N, 97% for NH4+-N and up to 100% for PO43--P. Regarding the examined pesticides, all substances reached more than 61.5% and up to 100% disappearance in the closest to the tree row points compared to the control points. Finally, the wheat-poplar tree-crop system exhibited reductions of more than 80% and up to 100% for nutrients, whilst with regards to the examined herbicides and M455H001 metabolite, their lessening was more than 85% and up to 100% in the closest to the tree row points compared to the control point away from the trees.The field results were in general in line with the model estimations from the qualitatively aspect, yet from the analysis of the results, it could be concluded that the model seems to overestimate the concentrations of the pesticides, particularly for the high adsorptive and persistent compounds, and rather underestimate the concentrations of nitrates in the soil profile.The novelty of the research lies on: (i) it is an experimental study carefully designed, providing new data to the international literature and particularly in the Mediterranean area where relevant data are scarce; (ii) the specific combination of crops and trees is reported for the first time; (iii) the fate of the used agrochemicals has not been studied in similar settings; (iv) only scarce data regarding pesticides behavior in agroforestry systems are till today available in the international literature; (v) a significant lack of information was identified for relevant research in the EU and particularly in the Mediterranean area.

Τις τελευταίες δεκαετίες και λόγω της διαρκούς ανάγκης για περισσότερη και καλύτερης ποιότητας αγροτική παραγωγή, η ρύπανση από αγροχημικά έχει αναχθεί σε ένα ζήτημα καίριο που απασχολεί παγκοσμίως τις υπηρεσίες προστασίας του περιβάλλοντος και τους φορείς αγροτικής ανάπτυξης, που κατά κανόνα απαιτεί αντιμετώπιση στην πηγή του. Η βάση του ζητήματος έγκειται κυρίως στην έλλειψη εφαρμογής των Βέλτιστων Πρακτικών Διαχείρισης (BMP) καθώς και στη μη τήρηση των κανόνων Ορθής Γεωργικής Πρακτικής (GAP) που προτείνονται για κάθε καλλιέργεια σύμφωνα με τις οδηγίες 1107/2009/EK και 2009/128/EK. Τα προβλήματα που προκύπτουν από τη μεταφορά των λιπασμάτων και των φυτοπροστατευτικών προϊόντων μέσω της απορροής, χρήζουν όχι μόνο πρόληψης αλλά και αντιμετώπισης – καθώς επηρεάζουν την υγεία του οικοσυστήματος, ενώ, σε ορισμένες περιπτώσεις, απειλούν και τη δημόσια υγεία. Έτσι, είμαστε αντιμέτωποι με την ανάγκη σχεδιασμού και εφαρμογής ενός συστήματος ικανού να προστατεύει ταυτόχρονα το περιβάλλον και να κρατά υψηλή την αγροτική παραγωγικότητα.Τα νιτρικά και φωσφορικά ιόντα που προέρχονται από λιπάσματα θεωρούνται τα πιο συνήθη και επικίνδυνα συστατικά που φθάνουν στα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα και θέτουν κινδύνους για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Για το λόγο αυτό διατηρούν εξέχουσα θέση στη νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα τελευταία 25 χρόνια (λ.χ., μέσω της Οδηγίας 91/676/EEC για τα Νιτρικά). Λόγω της έκτασης της μη σημειακής ρύπανσης από τις γεωργικές δραστηριότητες, απαιτούνται προστατευτικά μέτρα για τον έλεγχο των υπολειμμάτων αγροχημικών από την είσοδο τους σε υδάτινα συστήματα. Ως εκ τούτου, μέχρι σήμερα, έχουν προταθεί αρκετές τεχνικές για τη μείωση των ρύπων που εισέρχονται στα υδάτινα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων μεταξύ άλλων των φυτικών λωρίδων ανάσχεσης ρύπανσης, των αψέκαστων ζωνών, των συστημάτων συλλογής και επεξεργασίας απορροών, καθώς και των συστημάτων καλλιέργειας σε λωρίδες όπως τα αγροδασικά συστήματα. Τα αγροδασικά συστήματα καλλιέργειας, δηλαδή η παράλληλη παρουσία καλλιεργειών και δέντρων, βασίζεται στην υπόθεση ότι τα δέντρα, με τις βαθύτερες και ευρύτερες ρίζες τους, δημιουργούν ένα προστατευτικό δίχτυ κάτω από τις καλλιέργειες, ελαχιστοποιώντας έτσι την μεταφορά ρύπων στα υπόγεια ύδατα, την επιφανειακή μεταφορά τους σε επιφανειακούς αποδέκτες ή τη μεταφορά τους στα επιφανειακά ύδατα μέσω της βασικής ροής των ρεμάτων. Οι ερευνητικοί σκοποί της παρούσας μελέτης ήταν: α) η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των φυσικών συστημάτων αντιρρύπανσης – τύπου Αγροδασικών συστημάτων, στην απομάκρυνση της περίσσειας θρεπτικών από τα λιπάσματα και φυτοφάρμακα που χρησιμοποιούνται στη γεωργία, β) η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων προσδιορισμού υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων, γ) η πειραματική εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των φυσικών συστημάτων αντιρρύπανσης – τύπου Αγροδασικών συστημάτων, στην απομάκρυνση θρεπτικών και φυτοφαρμάκων για τα κλιματικά δεδομένα και της καλλιεργητικές πρακτικές της Ελλάδας, δ) η εκτίμηση της ανταπόκρισης των διαφορετικών συνδυασμών καλλιεργειών – δέντρων στη μείωση της ρύπανσης μέσω ενός συνδυασμού αγροδασικού συστήματος, ε) η εκτίμηση της τύχης και συμπεριφοράς των φυτοφαρμάκων σε ένα αγροδασικό σύστημα – ως προς την προοπτική του χρόνου ημίσειας ζωής – σε σχέση με τα έως τώρα διαθέσιμα βιβλιογραφικά δεδομένα αλλά και τους αντίστοιχους χρόνους ημιζωής που εκτιμήθηκαν στα σημεία ελέγχου της παρούσας έρευνας, στ) η διερεύνηση της διαφορετικής συμπεριφοράς των οργανικών ρύπων στο περιβάλλον, ανάλογα με τα ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους, ζ) η συσχέτιση των πειραματικών δεδομένων (πεδίου) με τα αποτελέσματα μαθηματικής μοντελοποίησης.Συνεπώς, στην παρούσα μελέτη, αξιολογείται η αποτελεσματικότητα των αγροδασικών συστημάτων στη μείωση της ρύπανσης χρησιμοποιώντας κοινούς συνδυασμούς μεσογειακών καλλιεργειών και δέντρων.Ως εκ τούτου, και προκειμένου να εξεταστεί διεξοδικά η αποτελεσματικότητα των εξεταζόμενων συστημάτων, παρουσιάζονται τόσο πειραματικά δεδομένα από δειγματοληψίες πεδίου όσο και υπολογισμοί από σχετικό μοντέλο μαθηματικής προσομοίωσης ρύπανσης (RZWQM2).Συνολικά εξετάζονται τέσσερα διαφορετικά πειραματικά αγροτεμάχια, που κατασκευάστηκαν για τις ανάγκες της έρευνας και αποτελούνταν από μια σειρά από δέντρα στη μία πλευρά και καλλιέργειες σπαρμένες παράλληλα στη δεντροστοιχία, με έκταση εις μήκος έως και 7 μέτρα από τη συστοιχία των δέντρων, καλύπτοντας έκταση ανά αγρό 70-100 m2 σε κάθε περίπτωση. Κάθε πειραματικός αγρός αποτελείτο από 4 διαφορετικά σημεία δειγματοληψίας (SP1 έως SP4), όπου το SP1 είναι αυτό που γειτνιάζει με τη σειρά των δέντρων και το SP4 αποτελεί το πιο απομακρυσμένο, λειτουργώντας ως σημείο ελέγχου λόγω της μη παρουσίας ριζών δέντρων. Λεπτομερής ανάλυση για κάθε συνδυασμό δέντρου-καλλιέργειας παρουσιάζεται παρακάτω.Προκειμένου να εξεταστεί διεξοδικά η αποτελεσματικότητα των εξεταζόμενων συστημάτων, παρουσιάζονται τόσο πειραματικά δεδομένα από τις δειγματοληψίες πεδίου όσο και υπολογισμοί από σχετικό μοντέλο ελέγχου και προσομοίωσης ρύπανσης (RZWQM2), και για τα 3 έτη και τα 4 συστήματα που εξετάστηκαν.Για το πειραματικό σκέλος, τα δείγματα εδάφους ελήφθησαν από διαφορετικά βάθη (0-60 cm με αναλογικές διαιρέσεις ανά βάθος) των πειραματικών πεδίων και με μεταβλητή απόσταση από το ριζικό σύστημα της συστοιχίας δέντρων (1 έως 7 m από τη συστοιχία δέντρων). Η δειγματοληψία εδάφους επαναλαμβανόταν κάθε 20-35 ημέρες (ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες), ξεκινώντας ακριβώς πριν από τη στιγμή της σποράς και της εφαρμογής αγροχημικών, προκειμένου να προσδιοριστούν οι συγκεντρώσεις υποβάθρου και συνεπώς η τύχη και συμπεριφορά των ρυπαντών (θρεπτικά και φυτοφάρμακα) μετά την εφαρμογή τους. Το πρώτο πείραμα διεξήχθη την άνοιξη-καλοκαίρι του 2015 και αποτελείτο από αραβόσιτο-ελαιόδεντρα, ενώ πραγματοποιήθηκε σε πειραματικό πεδίο στο Κορωπί Αττικής. Οι υπό έλεγχο ρύποι ήταν τα ιόντα αζώτου και φωσφόρου και δύο ζιζανιοκτόνα που χρησιμοποιούνται ευρέως στον αραβόσιτο (pendimethalin και nicosulfuron).Κατά δεύτερη χρονιά πειραμάτων, αξιολογήθηκε η αποδοτικότητα δύο συστημάτων: ένα με πατάτες και λεύκα και ένα με αραβόσιτο και λεύκα, με τα πειράματα να πραγματοποιούνται κατά την καλλιεργητική περίοδο του 2016 σε πεδίο ευρισκόμενο ανάμεσα στο Γουδί Αθηνών και του Παπάγου. Οι εξεταζόμενοι ρύποι ήταν τα ιόντα Αζώτου, Φωσφόρου, Καλίου και τα ζιζανιοκτόνα pendimethalin, ο μεταβολίτης του M455H001, το s-metolachlor, καθώς και το εντομοκτόνο chlorpyrifos.Όσον αφορά το τελευταίο πείραμα πεδίου, διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος σιταριού-λεύκας στο ίδιο πειραματικό πεδίο στο Γουδί Αθηνών, κατά την καλλιεργητική περίοδο άνοιξης-καλοκαιριού του 2017. Οι ελεγχόμενοι ρύποι ήταν τα νιτρικά, νιτρώδη, αμμωνιακά και φωσφορικά ιόντα, και τα ζιζανιοκτόνα pendimethalin, ο μεταβολίτης του M455H001, το iodosulfuron methyl sodium και το mesosulfuron methyl sodium.Τόσο τα θρεπτικά που προέρχονται από λιπάσματα όσο και τα φυτοφάρμακα που χρησιμοποιήθηκαν, αναλύθηκαν σε όλα τα δείγματα εδάφους που ελήφθησαν από τους πειραματικούς αγρούς. Η προετοιμασία των δειγμάτων πριν από την ανάλυση ήταν διακριτή ανάλογα με τη κατηγορία ρύπων και ειδικότερα, για τα θρεπτικά εφαρμόστηκε μια απλή διαλυτοποίηση του εδάφους σε νερό, ενώ για τα υπολείμματα φυτοφαρμάκων εκτελέστηκε εκχύλιση με τη χρήση οξινισμένων διαλυτών. Στη συνέχεια, για τα θρεπτικά συστατικά, η ανάλυση πραγματοποιήθηκε στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ενώ τα υπολείμματα φυτοφαρμάκων προσδιορίστηκαν στο Μπενάκειο Φυτοπαθολογικό Ινστιτούτο, όπου υπήρχε διαθέσιμος ο κατάλληλος αναλυτικός εξοπλισμός. Οι συγκεντρώσεις των ρύπων προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας την τεχνική της υγρής χρωματογραφίας – φασματομετρίας μαζών (LC-MS/MS) για υπολείμματα φυτοφαρμάκων και της ιοντικής χρωματογραφίας (IC) για τον προσδιορισμό των θρεπτικών ουσιών (ανιόντα-κατιόντα), ενώ για τα δείγματα του πρώτου έτους και μόνο χρησιμοποιήθηκε επιπλέον και η τεχνική της φασματοφωτομετρίας προκειμένου να ποσοτικοποιηθούν τα ιόντα αμμωνίου.Τα αποτελέσματα των αναλύσεων απέδειξαν ότι η φύτευση σειράς δέντρων σε καλλιεργημένα χωράφια μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη μείωση της ρύπανσης του εδάφους και κατ’ επέκταση των υπόγειων υδάτων. Αναλυτικότερα, το σύστημα αραβοσίτου-ελιάς παρουσίασε τη δυνατότητα μείωσης της μετανάστευσης ρύπων, με απομακρύνσεις που κυμαίνονται μεταξύ 36,8-78,9% για τα νιτρικά, 79,3-100% για τα νιτρώδη, 76,7-100% για τα αμμωνιακά, 79,4-100% για τα φωσφορικά και 70-100% για τα ζιζανιοκτόνα που εξετάστηκαν. Τα πειράματα για το σύστημα πατάτας-λεύκας παρουσίασαν μειώσεις άνω του 86% για το Κάλιο, 90% για τα νιτρικά, 92% για τα αμμωνιακά, 85% για τα νιτρώδη και έως 100% για τα φωσφορικά. Κατά συνέπεια, για το σύστημα αραβοσίτου-λεύκας, οι μειώσεις ήταν περισσότερο από 73% για το κάλιο, τουλάχιστον 77% για τα νιτρικά, περίπου 77% για τα νιτρώδη, 97% για τα αμμωνιακά και έως και 100% για τα φωσφορικά. Όσον αφορά τα εξεταζόμενα φυτοφάρμακα, όλες οι ουσίες παρουσίασαν απομάκρυνση περισσότερο από 61,5% και έφτασαν έως και 100% εξαφάνιση στα σημεία πλησίον της σειράς των δέντρων σε σύγκριση με τα σημεία ελέγχου. Τέλος, το σύστημα καλλιέργειας σιταριού-λεύκας παρουσίασε μειώσεις άνω του 80% και έως 100% για τα θρεπτικά συστατικά, ενώ όσον αφορά τα εξεταζόμενα ζιζανιοκτόνα και τον μεταβολίτη M455H001, η μείωση τους ήταν πάνω από 75% και έφτασε έως και 100% στα σημεία δειγματοληψίας πλησίον της δενδροστοιχίας σε σύγκριση με το σημείο ελέγχου.Τα αποτελέσματα πεδίου ήταν γενικά σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του μοντέλου από ποιοτικής άποψης, αλλά από την σύγκριση των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων συμπεραίνεται ότι το μοντέλο RZWQM2 φαίνεται να υπερεκτιμά τις συγκεντρώσεις των φυτοφαρμάκων. ιδιαίτερα για τις προσροφητικές και ανθεκτικές ενώσεις, ενώ ταυτόχρονα δείχνει να υποεκτιμά τις συγκεντρώσεις των νιτρικών στο προφίλ του εδάφους.Η καινοτομία της παρούσας έρευνας έγκειται στα κάτωθι σημεία: (i) αποτελεί μια πειραματική μελέτη προσεκτικά σχεδιασμένη, παρέχοντας νέα δεδομένα στη διεθνή βιβλιογραφία και ιδιαίτερα στην περιοχή της Μεσογείου όπου τα σχετικά δεδομένα είναι λιγοστά, (ii) ο συγκεκριμένος συνδυασμός καλλιεργειών και δέντρων αναφέρεται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία, (iii) η τύχη και συμπεριφορά στο περιβάλλον των χρησιμοποιημένων αγροχημικών δεν έχει μελετηθεί σε παρόμοιες συνθήκες, (iv) ελάχιστα σχετικά δεδομένα είναι διαθέσιμα έως σήμερα στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά με τη συμπεριφορά των φυτοφαρμάκων στα αγροδασικά συστήματα συνκαλλιέργειας, ενώ τέλος, (v) εντοπίστηκε σημαντική έλλειψη πληροφοριών για σχετική έρευνα στην ΕΕ και ιδίως στην περιοχή της Μεσογείου.