Eine von Forschern des Agroecosystem Sustainability Center (ASC) an der University of Illinois Urbana-Champaign geleitete Studie quantifiziert die Vorteile des organischen Kohlenstoffs im Boden (SOC), die von Zwischenfrüchten in Mais-Sojabohnen-Fruchtfolgen in Agrarökosystemen des Mittleren Westens der USA profitieren.
Die Studie, erschienen in Biologie des globalen Wandels, verwendeten ecosys, ein fortschrittliches prozessbasiertes Ökosystemmodell, um die Auswirkungen des Zwischenfruchtanbaus im Winter auf die SOC-Akkumulation unter verschiedenen Umwelt- und Bewirtschaftungsbedingungen zu bewerten. Durch das Verständnis, wie SOC-Vorteile erreicht und optimiert werden können, werden Landwirte und politische Entscheidungsträger in der Lage sein, Managementpraktiken zu erlassen, die fruchtbare Felder unterstützen, die auch atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) in den Boden binden.
Es hat sich gezeigt, dass Deckfrüchte den organischen Kohlenstoff im Boden wirksam erhöhen, indem sie atmosphärisches CO2 in den Boden binden und somit ein großes Potenzial zur Eindämmung des Klimawandels haben. Eine zugängliche Methode zur Messung der SOC-Vorteile würde Landwirten, Regierungsbehörden und der Industrie dabei helfen, klimaintelligente Anbaupraktiken zu implementieren. Eine genaue und kosteneffiziente Methode zur Quantifizierung der SOC-Vorteile ist jedoch noch weitgehend nicht verfügbar.
Um diesen Bedarf zu decken, verfolgen die ASC-Forscher einen Ökosystem-Modellierungsansatz. Ihre Studie ergab, dass der Anbau von Deckfrüchten den SOC in Illinois um durchschnittlich 0,33 Megagramm Kohlenstoff pro Hektar und Jahr (was 0,54 Tonnen atmosphärischem Kohlendioxid pro Acre und Jahr entspricht) erhöhen kann und dass die SOC-Vorteile durch eine Erhöhung verbessert werden können Biomasse der Deckfrucht. Das ecosys-Modell hilft nicht nur bei der Quantifizierung der SOC-Vorteile von Deckfrüchten, sondern verbessert auch das wissenschaftliche Verständnis von Umweltfaktoren, die die SOC-Vorteile steuern, einschließlich Bodenbedingungen, Wetter und Deckfruchtarten.
In Anlehnung an die frühere Arbeit des Teams stellten die Forscher auch fest, dass es einen Kompromiss zwischen den SOC-Vorteilen von Deckfrüchten und dem Ernteertrag gibt. Insbesondere wenn Zwischenfrüchte größere Wachstumsfenster haben, bauen sie eine größere Biomasse an und haben somit höhere SOC-Vorteile. Unter diesen Umständen besteht jedoch ein erhöhtes Risiko, dass der Ertrag von Marktfrüchten aufgrund der Konkurrenz mit Zwischenfrüchten um Ressourcen und Nährstoffe, einschließlich Wasser, Stickstoff und Sauerstoff im Boden, verringert wird; die Arbeit wurde durch eine kürzlich durchgeführte empirische Studie mit ASC-Mitgliedern bestätigt. Verschiedene Arbeitsbereiche betonen gemeinsam die Notwendigkeit eines sorgfältigen Managements von Zwischenfrüchten, um potenzielle Risiken zu vermeiden.
Eine umfassende mechanistische Modellierung könnte helfen, dieses Kompromissproblem zu lösen, indem das Wachstum von Deckfrüchten unter verschiedenen Bedingungen simuliert wird. Auf Feldern im Mittleren Westen der USA sind Bewirtschaftungspraktiken wie die Auswahl spezifischer Deckfruchttypen und die Regulierung ihres Wachstumsfensters wichtige Kontrollfaktoren für ihre SOC-Vorteile. Durch Simulation könnte der Modellierungsansatz bei der Auswahl optimaler Managementpraktiken helfen, die die SOC-Vorteile maximieren, ohne den Ernteertrag zu beeinträchtigen.
„Unsere Studie hat gezeigt, dass das ecosys-Modell mit rigoroser Validierung unter Verwendung von Feldversuchsdaten ein wirksames Instrument sein kann, um das adaptive Management von Zwischenfrüchten zu steuern und die SOC-Vorteile von Zwischenfrüchten zu quantifizieren“, sagte Ziqi Qin, Hauptautor der Veröffentlichung und Absolvent Student an der Fakultät für Naturressourcen und Umweltwissenschaften (NRES) der Universität von I. „Dies bietet praktische Werkzeuge und Erkenntnisse für Praktiker, um Zwischenfrüchte besser zu verwalten, und für politische Entscheidungsträger, um die Agrarpolitik besser zu gestalten.“
Zusätzlich zu den SOC-Vorteilen fanden die Forscher auch heraus, dass Zwischenfrüchte der Bodenumgebung auf andere Weise zugute kommen könnten. Die ecosys-Simulationen zeigten, dass die Menge an Kohlenstoff, die in Mikroben im Boden gespeichert ist, zunimmt, wenn Zwischenfrüchte vorhanden sind. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit früheren empirischen Studien, die eine erhöhte Bodenfruchtbarkeit bei der Verwendung von Zwischenfrüchten festgestellt haben.
„Die optimalen Praktiken zur Bewirtschaftung von Zwischenfrüchten variieren für jedes Feld“, sagte ASC-Gründungsdirektor Kaiyu Guan, NRES Associate Professor und auch Projektleiter der neu veröffentlichten Studie. „Unsere Arbeit hat den Kompromiss zwischen Deckfrüchten und Marktfrüchten identifiziert, was die Notwendigkeit beweist, Managementleitlinien und technische Unterstützung für Landwirte zu entwickeln, um Deckfrüchte besser zu nutzen und gleichzeitig den Ertrag von Marktfrüchten aufrechtzuerhalten.“
Mehr Informationen:
Ziqi Qin et al., Bewertung der langfristigen Auswirkungen von Deckfrüchten auf den organischen Kohlenstoff im Boden in den Agrarökosystemen des zentralen US-Mittelwestens, Biologie des globalen Wandels (2023). DOI: 10.1111/gcb.16632