Системи обраде земљишта климатски отпорних усева, ефекти плодореда, покровних усева и предусева

Пољопривреда оставља значајан траг на површини земље. Према Уједињеним нацијама (ФАО), обрадиво земљиште је приближно 1,53 милијарде хектара, што је око 12% земљине површине. Травњаци покривају приближно 3,38 милијарди хектара, што је око 26% земљине површине. Ова комбинована површина пољопривредног земљишта представља око 38% земљине површине, што пољопривреду чини индустријом која користи највећу количину земље на планети. Преостало земљиште заузимају пустиње, планине, тундра, градови, еколошки резервати и друга подручја непогодна за пољопривреду [1]. Последњих деценија глобална производња усева је значајно порасла заједно са пољопривредним земљиштем. ФАО извештава о повећању производње од 47% између 1985. и 2005. године (реф.18), док је повећање пољопривредног земљишта само 2,4%. Међутим, упркос импресивном повећању приноса усева између 1985. и 2005. године, између 1965. и 1985. године, повећање производње је износило чак 56%, што може указивати на то да се приноси усева данас повећавају спорије него раније, и да је питање времена када ће потпуно престати раст приноса [1] . Међутим, један од начина да се стално побољшавају приноси биљака је фокусирање на биодиверзитет агроекосистема. Биодиверзитет је основа пољопривреде, јер обухвата све врсте биљака, животиња и микроорганизама унутар агроекосистема [2] . Биодиверзитет пружа вредне генетске ресурсе за даљи узгој усева. Културе које се данас користе имају претке у дивљим врстама или сортама које су селективно укрштане или хибридизоване [2] . Perry [3] је навео да биодиверзитет има суштинску улогу у пружању еколошких услуга, као што је спречавање ерозије земљишта и/или регулација микроклиме. Altieri [4] је додао да биодиверзитет доприноси услугама екосистема тако што рециклира хранљиве материје или регулише популацију штеточина. Међутим, ове услуге екосистема могу се очувати или одржавати само ако се у агроекосистему очува биодиверзитет [4] . Ако дође до губитка биодиверзитета у агроекосистему, могу се очекивати веома високи инпути одржавања, једноставно зато што ће губитак биодиверзитета у агроекосистему довести до тога да систем изгуби свој самоодрживи капацитет.

Један од начина да се биодиверзитет одржи, или да се он даље унапреди, јесте смањена обрада земљишта. Тренутно се чини да промене у обради земљишта и плодореду имају велики утицај на састав фауне земљишта, укључујући штеточине, али и корисне организме. Обрада земљишта има значајан утицај јер мења хемијска и физичка својства земљишта. Истраживање Stinner-a и House-a [5] показује да одговор популација штеточина на смањену обраду земљишта прилично варира. Смањена обрада земљишта индиректно обликује састав врста микробиома земљишта доприносећи задржавању влаге у земљишту и модулацији температуре земљишта [6] . Састав врста микробиома повезан са смањеном обрадом земљишта створиће окружење које може бити антагонистичко према патогенима кроз конкуренцију [7] .

Еколошке импликације орања тла

Интензивна обрада тла и употреба тешке механизације су у најбољем случају према данашњим сазнањима произвели помешана мишљења [8] . Ерозија земљишта је постала глобални проблем са све већом потражњом за примарним ресурсима земљишта и представља велики ризик за пољопривредну продуктивност и одрживост. Као такво, орање погоршава ерозију ветра и воде, што данас постаје све већи проблем јер се све већи нагласак ставља на интензивирање пољопривреде. Орање нарушава структуру земљишта и излаже га интензивним падавинама и великим брзинама ветра, што директно доводи до ерозије [8] .

Ерозија је веома значајан узрок деградације земљишта, заједно са осталим, као што су губитак угљеника у земљишту, исцрпљивање хранљивих материја, збијање земљишта, закишељавање земљишта или заслањивање [9] . Проблем ерозије, посебно водене, није само у испирању површинског слоја земље, што само по себи представља велики проблем, већ водна ерозија има и друге негативне стране, као што је спирање пестицида у подземне воде, који могу заразити водотокове и угрозити ове екосистеме.

Последњих година све су распрострањеније праксе редуковане обраде земљишта које имају потенцијал да повећају масу земљишта, побољшају секвестрацију угљеника и тако потенцијално допринесу ублажавању климатских промена [10] , [11] , [12] . Смањена обрада резултира повећањем количине органске материје и мањом збијеношћу земљишта, што резултира побољшаним физичким својствима, а самим тим и, на пример, побољшањем способности земљишта да апсорбује падавине и задржава воду, која се касније може користити за усеве [13] , [14] , [15] .

Табела 1. Резиме четири производна система: C-IT-конвенционална интензивна пољопривреда, C-NT- конвенционална пољопривреда без обраде тла, O-IT- органска интензивна пољопривреда, O-RT- органска пољопривреда ниског интензитета обраде

Интензитет управљања се процењује за сваки производни систем коришћењем три антропогена инпута (употреба енергије, контрола корова и ђубрење). Ови фактори су такође коришћени у различитим студијама у којима се оцењује интензитет коришћења пољопривредног земљишта [16] , [17] . Потрошња енергије се мери као l горива по ha годишње. Укључује примарну обраду земљишта, припрему мрежних леја, сетву, ђубрење, прскање и механичко мршављење корова. Сетва (сви системи) и малчирање (осим C-NT) су укључени као следећа контролна операција за третман покровних усева [18] .

Најважнији фактор у одређивању квалитета земљишта је органска материја земљишта. Schlesinger [19] наводи да је губитак угљеника у земљишту на пољима кукуруза резултат интензивне обраде земљишта, што доводи до повећане емисије гасова стаклене баште. Reicosky и Lindstrom [20] су проценили допринос преносивог динамичког коморног краткорочног ударног плуга и разних начина обраде земљишта на емисије угљеничног оксида, када се угљеник у великој мери ослобађа из земљишта током времена две до три недеље након обраде земљишта. У системима са ниском обрадом, земљиште мање губи угљеник, а најмањи губици угљеника из земљишта су након обраде земљишта без обраде. Reicosky и Lindstrom [20] и Reicosky [21] , [22] су закључили да интензивне методе обраде земљишта, посебно орање до дубине од 0,25 м, различито утичу на овај почетни ток земљишта и предложили су нежније технике управљања земљиштем као што је конзервациона обрада земљишта.

Контекст између глобалног загревања и количине CO₂ у атмосфери повећао је интересовање за уштеду угљеника у земљишту у системима пољопривредне производње, што је довело до потребе да се разуме како прерада земљишта утиче на емисију гасова стаклене баште (угљен-диоксид, метан, азотни оксид ). Kimble и сар. [23] је навео да одговарајућа обрада земљишта може допринети смањењу емисије гасова стаклене баште јер пољопривредно земљиште игра важну улогу у секвестрацији угљеника. Органска материја за управљање земљиштем игра кључну улогу у одржавању плодности земљишта, физичких својстава земљишта и биолошких активности када су ови фактори неопходни за производњу хране и квалитет животне средине. Због тога би било прикладно спровести поступке без обраде земљишта, који ће смањити емисију сумпороксида [24] , [25] . Азот-оксид има око 310 пута већи потенцијал за глобално загревање од угљеник-оксида [26] и мора се укључити у прорачуне гасова стаклене баште јер је повезан са употребом азотног ђубрива, а утиче и на ниво азота у земљишту прерадом земљишта као и угљеник [27] , [28] , [29] .

Плодоред, покровни усеви и ефекат предусева

Здравље земљишта зависи од сложене заједнице организама који међусобно делују, укључујући бактерије, гљиве, протозое, чланконошце и кишне глисте. Биљни остаци су извор исхране за ове организме. Микроби врше разлагање биљних остатака ослобађајући енергију и хранљиве материје, што омогућава овим организмима у земљишту да обезбеде основне услуге екосистема [30] , [31] .

Студије које упоређују органску и конвенционалну пољопривредну праксу су спроведене да би се разумела динамика ланца исхране у земљишту и да би се утврдило да ли унос органске материје има предности у односу на неорганске изворе, који тренутно представљају највеће инпуте за пољопривредно земљиште [32] , [33] , [ 34] , [35] . Подршка развоју отпорних система данас је све важнија, макар само зато што живот заједница зависи од ових система [1] .

Отпорни системи, побољшано здравље земљишта и други изузетно важни фактори у обради земљишта могу се побољшати плодоредом. Дефиниција плодореда је систематски или понављајући низ усева који се узгајају током неколико сезона жетве. На избор усева углавном утичу екологија агроекосистема и економија пољопривредне производње [36] и не одређује га пољопривредник, или бар не треба да га одређује. Избор усева зависи од едафских, биотичких и климатских фактора. Pearson [36] је увео термин „компаративна предност“, где се ова ознака односи на прилагођавање усева околини, разлике у потребним инпутима за производњу дате културе и утицаје тржишта. Ово може директно утицати на праксу сетве, а самим тим и на плодоред, јер ако је економска предност довољно висока за неколико усева, пољопривредник ће дати предност томе и, према томе, неће гајити монокултуре. Покровни усеви су део система отпорних на климу. Они су дефинисане као биљке које се узгајају првенствено да би се покрило земљиште како би се заштитило од ерозије земљишта и губитка хранљивих материја [37] , [38] . Покровни усеви се могу сврстати и у умерену и у тропску климу [39] , [40] . Покровни усеви су признати по својој способности да допринесу различитим услугама агроекосистема [41] . Услуге агроекосистема су сложени концепти који укључују различите елементе у интеракцији који су просторно и временски међусобно повезани, што чини изазовним одвајање ефеката појединачних елемената од укупног система [42] . Пољопривредни екосистеми, намењени првенствено за производњу хране, сточне хране, влакана, индустријских сировина, добијају и пружају агроекосистемске услуге [43] .

Плодоред је препоручена пракса за контролу биљних болести [44] . Различите врсте усева које се узгајају у низу ометају циклусе болести. На пример, у Аустралији, садња уског листа или плаве лупине смањила је стопу инфекције уобичајеном трулежи корена код пшенице у поређењу са континуираном монокултуром пшенице [45] . Плодоред је посебно ефикасан за контролу нематода. У Алабами, ротација са кукурузом је резултирала доследним повећањем приноса соје у поређењу са континуираном сојом под конвенционалном обрадом, првенствено због третмана сојиних цистастих нематода [46] . Пракса обраде земљишта може бити у интеракцији са плодоредом у управљању болестима. У неким случајевима, конзервациони системи обраде земљишта у комбинацији са плодоредом су резултирали побољшаном контролом болести и повећаним приносима у поређењу са континуираним усевом и конвенционалном обрадом земљишта [46] , [47] . Међутим, интерактивни ефекти ротација и система обраде земљишта на узрочнике болести могу се разликовати [48] , [49] .

Покровни усеви се првенствено узгајају да апсорбују азот из земљишта, ефикасно смањујући губитак азота кроз испирање, облик водене ерозије [51] , [52] . Ефикасност међукултуре је уско повезана са дубином кореновог система, а не са густином корена [51] , [52] . Када се усеви зеленог ђубрива интегришу у земљиште кроз обраду земљишта, они често убрзавају минерализацију органског азота. Ово убрзање може довести до привремене неусклађености између ослобађања минералног азота, који постаје подложан губицима, и стварне потражње за усева за азотом. Таква асинхронија може доћи из различитих извора, укључујући додавање неорганских азотних ђубрива, животињског ђубрива, зеленог ђубрења или природне минерализације азота у земљишту.

У неким случајевима, покровни усеви показују превентивну конкуренцију, узимајући нитрате из земљишта које би иначе било у опасности од испирања и стављајући их на располагање наредним културама [53] . Примећује се превентивна конкуренција, посебно током касног пролећног раста покровних усева без махунарки и у регионима које карактерише низак ризик од испирања, као што су сува подручја. У таквим ситуацијама, оптимизација стратегија међукултуре током неколико година може бити корисна у смислу максимизирања доступности N за готовинске усеве.

Закључак

У закључку, пољопривреда има значајан утицај на површину земље; обрађено земљиште покрива приближно 12% површине планете, а пашњаци заузимају око 26%. Ова комбинована пољопривредна површина представља око 38% земљине површине, што пољопривреду чини највећим сектором који користи земљиште. Међутим, упркос значајном повећању производње усева у последњих неколико деценија, постоје знаци да се приноси повећавају спорије него раније. Ограничене праксе обраде земљишта добиле су на значају као средство за побољшање здравља земљишта и ублажавање еколошких проблема повезаних са интензивном обрадом, као што су ерозија земљишта и губитак угљеника. Плодоред, покровни усеви и селекција пред усева су основне компоненте пољопривредних система отпорних на климу. Плодоред разбија циклусе болести и може побољшати опште здравље земљишта. Покровни усеви, с друге стране, помажу у смањењу губитка азота кроз испирање и могу пружити неколико услуга екосистема. Узимајући у обзир растућу забринутост због климатских промена и одрживе пољопривреде, све је важније усвојити пољопривредне праксе које промовишу здравље земљишта, смањују утицаје на животну средину и повећавају отпорност пољопривредних система. Интеграција ограничене обраде земљишта, стратешког плодореда и употребе покровних усева је обећавајући приступ за постизање ових циљева, који на крају доприноси одрживијој и климатски отпорнијој пољопривреди. Међутим, битно је схватити да ефикасност ових пракси може варирати у зависности од локалних услова и да се мора прилагодити специфичним агроекосистемима како би се постигли најбољи резултати.

Референце

1. Altieri , M. A. (1999). The ecological role of biodiversity in agroecosystems . In Invertebrate biodiversity as bioindicators of sustainable landscapes (pp. 19-31). Elsevier .

2. Harlan , J. R. (1975). Our Vanishing Genetic Resources : Modern varieties replacement ancient populations that have provided genetic variability for plant breeding programs . Science, 188(4188), 618-621.

3. Perry, DA, Oren, R., & Hart, SC (1994). Forest ecosystems . the johns Hopkins University Press . Baltimore, Maryland.

4. Altieri , MA, 1994. Biodiversity and Pest Management in Agroecosystems . Haworth Press , New York, 185 pp.

5. Stinner , BR, & House, GJ (1990). Arthropods and others invertebrates in conservation-tillage agriculture . Annual review of Entomology, 35(1), 299-318.

6. Krupinsky , JM, Bailey, KL, McMullen , MP, Gossen , BD, & Turkington , TK (2002). Managing plant disease risk in diversified cropping systems . Agronomy journal , 94(2), 198-209.

7. Cook , R. J. (1990). Twenty-five years of progress towards biological control . Biological control of soil-borne plant pathogens ., 1-14.

8. Diamond , J. (2004). Collapse : How Societies Choose to Fail steed Succeed , ; Viking Adult .

9. Sullivan , P. (2004). Sustainable management of soil-borne plant diseases : soil systems guide . Sustainable management of soil-borne plant diseases : soil systems guide ., (IP173).

10. Lal , R. (2004). Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security . science, 304(5677), 1623-1627.

11. Smith, P., Martino, D., Cai , Z., Gwary , D., Janzen , H., Kumar , P., ... & Smith, J. (2008). Greenhouse gas mitigation in agriculture . Philosophical transactions of the Royal Society B: Biological Sciences , 363(1492), 789-813.

12. Corsi , S., Friedrich, T., Kassam , A., Pisante , M., & Sà , J. D. M. (2012). Soil organic carbon accumulation and greenhouse gas emission reductions from conservation agriculture : a literature review . Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).

13. Luo , Z., Wang , E., & Sun, OJ (2010). Can no- tillage stimulate carbon sequestration in agriculture soils ? A meta- analysis of paired experiments . Agriculture , ecosystems & environment, 139(1-2), 224-231.

14. Ngwira , AR, Thierfelder , C., & Lambert, DM (2013). Conservation agriculture systems for Malawian smallholder farmers : long-term effects on crops productivity , profitability and soil quality . Renewable Agriculture and Food Systems, 28(4), 350-363.

15. Verhulst , N., Govaerts , B., Verachtert , E., Castellanos-Navarrete , A., Mezzalama , M., Wall, P., & Sayre , K. D. (2010). Conservation agriculture , improving soil quality for sustainable production systems . Advances in soil science: food security and soil quality , 1799267585, 137-208.

16. Herzog , F., Steiner, B., Bailey, D., Baudry , J., Billeter , R., Bukácek , R., ... & Bugter , R. (2006). Assessing the intensity of temperate European agriculture and the landscape scales . European Journal of Agronomy, 24(2), 165-181.

17. Ruiz-Martinez , I., Marraccini , E., Debolini , M., & Bonari , E. (2015). Indicators of agricultural intensity and intensification : a review of the literature . Italian Journal of Agronomy, 10(2), 74-84.

18. Wittwer , RA, Dorn , B., Jossi , W., & van der Heijden , MG (2017). Cover crops support ecological intensification of arable cropping systems . Scientific reports , 7(1), 41911.

19. Schlesinger , W. H. (1986). Changes in soil carbon storage and associated properties with disturbance and recovery . In The changing carbon cycle : A global analysis (pp. 194-220). New York, NY: Springer New York.

20. Reicosky , DC, & Lindstrom , MJ (1993). Fall tillage method : Effect on short -term carbon dioxide flux from soil _ Agronomy journal , 85(6), 1237-1243.

21. Reicosky , D. C. (1997). Tillage-induced CO 2 emission from soil _ Nutrient cycling in agroecosystems , 49, 273-285.

22. Reicosky , D. C. (1998). Strip tillage methods : Impact on soil and air quality . In Australian / New Zealand National Soils Conference .

23. Kimble , JM, Follett , RF, & Cole, CV (1998). The potential of US cropland to sequester carbon and mitigate the greenhouse effects . CRC Press .

24. Baggs , E.M., Stevenson , M., Pihlatie , M., Regar , A., Cook , H., & Cadisch , G. (2003). Nitrous oxide emissions following application of residues and fertiliser under zero and conventional tillage . Plant and Soil , 254, 361-370.

25. MacKenzie , A.F., Fan , M.X., & Cadrin , F. (1997). Nitrous oxide emission as affected by tillage , corn-soybean-alfalfa rotations and nitrogen fertilization . Canadian Journal of Soil Science, 77(2), 145-152.

26. Robertson , GP, Paul, EA, & Harwood , RR (2000). Greenhouse gases in intensive agriculture : contributions of individual gases to the radiative forcing of the atmosphere . Science, 289(5486), 1922-1925.

27. Parkin , TB, & Kaspar , TC (2006). Nitrous oxide emissions from corn - soybean systems in the Midwest . Journal of environmental quality , 35(4), 1496-1506.

28. Steinbach, HS, & Alvarez , R. (2006). Changes in soil organic carbon contents and nitrous oxide emissions after introduction of no‐ till in Pampean agroecosystems . Journal of Environmental Quality , 35(1), 3-13.

29. Liu , XJ, Mosier , AR, Halvorson , AD, & Zhang , FS (2005). Tillage and nitrogen application effects on nitrous and nitric oxide emissions from irrigated corn fields . Plant and soil , 276, 235-249.

30. Ball , AS, 2006. Energy inputs in soil systems . In: Uphoff , N., Ball , AS, Fernandes , E., Herren , H., Husson , O., Laing , M., Palm, C., Pretty , J., Sanchez, P., Sanginga , N. , Thies , J. ( Eds .), Biological Approaches to Sustainable Soil Systems. CRC Press , Boca Raton , pp. 79 and 89.

31. Thies , JE, & Grossman, JM (2006). The soil habitat and soil ecology . Biological approaches to sustainability soil systems , 59, 78.

32. Henneron , L., Bernard, L., Hedde , M., Pelosi , C., Villenave , C., Chenu , C., ... & Blanchart , E. (2015). Fourteen years of evidence for positive effects of conservation agriculture and organic farming on soil life . Agronomy forum Sustainable Development, 35(1), 169-181.

33. Williams , A., & Hedlund , K. (2013). Indicators of soil ecosystem services in conventional and organic arable fields along a gradient of landscape heterogeneity in southern Sweden . Applied Soil Ecology , 65, 1-7.

34. Overstreet , L.F., Hoyt , G.D., & Imbriani , J. (2010). Comparing nematode and earthworm communities under combinations of conventional and conservation vegetables production practices . Soil and Tillage Research , 110(1), 42-50.

35. Reganold , J.P., Andrews , P.K., Reeve , J.R., Carpenter-Boggs , L., Schadt , C.W., Alldredge , J.R., ... & Zhou , J. (2010). Fruit and soil quality of organic and conventional strawberries agroecosystems . PloS one , 5(9), e12346.

36. Pearson , L. C. (1967). Principles of agronomy. (No Title ).

37. Brady, N., & Weil , RR (1999). The nature and properties of soil 12th ed . Mac. Pub. Com . New York, 625-640.

38. Sarrantonio , M., & Gallandt , E. (2003). The role of cover crops in North American cropping systems . Journal of Crop production , 8(1-2), 53-74.

39. Liebmann . (2000). Integration of soil , crop and weed management in low - external -input farming systems . Weed research , 40(1), 27-47.

40. Teasdale , JR, Hatfield , JL, Buhler , DD, & Stewart, BA (1998). Cover crops , smother plants , and weed management. Integrated weed and soil management, 247, 270.

41. Teasdale , J. R. (2003). Principles and practices of using cover crops in weed management systems . Labrada , R. ( ed .) FAO Plant Production and Protection Paper 120 Add . 1: Weed Management for Developing Countries .

42. Barberi , P., & Mazzoncini , M. (2001). Changes in weed community composition as influenced by cover crop and management system in continuous corn . Weed Science, 49(4), 491-499.

43. Heal , GM, & Small , AA (2002). Agriculture and ecosystems services . Handbook of agricultural economics , 2, 1341.

44. Leighty , CE 1938. Crop rotation . pp. 406-430. In: Soils and Men . USDA Yearbook of Agriculture . US Government Printing Office, Washington, DC

45. Reeves , TG 1984. Lupins in crop rotations . pp. 207-226. In: Proceedings of the I11 International Lupine Congress . June 4-8, 1984, La Rochelle , France.

46. Edwards, JH, Thurlow , DL, & Eason , JT (1988). Influence of tillage and crop rotation on yields of corn , soybean , and wheat . Agronomy Journal , 80(1), 76-80.

47. Von Qualen , RH, Abney , TS, Huber , DM, & Schreiber, MM (1989). Effects of rotation , tillage , and fumigation on premature dying of soybeans . Plant diseases , 73(9), 740-744.

48. Rothrock , C. S. (1987). Take-all of wheat as affected by tillage and wheat-soybean double cropping . Soil Biology and Biochemistry , 19(3), 307-311.

49. Herman, M. (1990). Effect of tillage systems and crops sequence on the rhizosphere microflora of winter wheat . Soil and Tillage Research , 15(3), 297-306.

50. Lemessa , F., & Wakjira , M. (2015). Cover crops as a means of ecological weed management in agroecosystems . Journal of crop Science and Biotechnology, 18, 123-135.

51. Delgado , J. A. (2001). Use of simulations for evaluation of best management practices on irrigated cropping systems . Modeling carbon and nitrogen dynamics for soil management. Lewis Publishers , Boca Raton , FL, 355-381.

52. Thorup-Kristensen , K. (2001). Are differences in root growth of nitrogen catch crops important for their ability to reduce soil nitrate -N content , and how can this be measured ? Plant and Soil , 230, 185-195. Thorup-Kristensen, K., Magid , J., & Jensen, LS (2003). Catch crops and green manures as biological tools in nitrogen management in temperate zones . Advances in agronomy, 227-302.

53. Thorup-Kristensen , K., Magid , J., & Jensen, LS (2003). Catch crops and green manures as biological tools in nitrogen management in temperate zones . Advances in agronomy, 227-302.

54. Crews , TE, & Peoples , MB (2005). Can the synchrony of nitrogen supply and crop demand be improved in legume and fertilizer-based agroecosystems ? A review . Nutrient cycling in Agroecosystems , 72, 101-120.