Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

Technisches Resümee: Einmalige hochdosierte Einarbeitung von Gemüseresten in Trockengebieten

Problemstellung
China produziert jährlich über 340 Millionen Tonnen Gemüsereste, was nach den Erntestrohmen der Hauptanbaukulturen die zweitgrößte Quelle für landwirtschaftliche Rückstände darstellt. Während diese Rückstände erhebliche Nährstoffreserven (N, P, K) und organische Substanz enthalten, behindern ihr hoher Feuchtigkeitsgehalt (>85 %) und ihr geringer Trockensubstanzgehalt (<15 %) die Effizienz traditioneller Methoden der Bodenbearbeitung. Eine unsachgemäße Entsorgung auf Handelsmärkten und in Produktionsregionen verursacht schwere Umweltbelastungen. Darüber hinaus ist das Lössplateau, eine bedeutende Gemüseanbauregion, aufgrund intensiver Bewirtschaftung und unzureichender Düngung mit Bodenverschlechterung konfrontiert, wobei die aktuellen Erträge oft unter 60 % ihres Potenzials liegen. Es besteht ein kritischer Bedarf an der Ermittlung optimaler Strategien für das Recycling von Gemüseresten, die die Reduzierung der Umweltauswirkungen (Treibhausgasemissionen) mit der landwirtschaftlichen Produktivität in semiariden Ökosystemen in Einklang bringen.

Methodik
Eine zweijährige Feldstudie (2020–2022) wurde an der Experimentalstation für semiaride Ökosysteme auf dem Lössplateau (Provinz Gansu, China) durchgeführt. Die Studie nutete ein randomisiertes Blockdesign mit Siljamaïs (Zea mays L.) als Testkultur. Die experimentellen Behandlungen beinhalteten eine faktoriell kombinierte Anwendung von:

• Einarbeitungsraten (W): Drei Stufen der einmaligen hochdosierten Einarbeitung von Gemüseresten: W1 (800 t·ha⁻¹), W2 (1600 t·ha⁻¹) und W3 (2400 t·ha⁻¹).
• Einarbeitungstiefen (D): Drei Tiefen: D1 (10 cm), D2 (20 cm) und D3 (30 cm).
• Kontrolle: Eine Behandlung ohne Einarbeitung (NW), bei der der Oberboden ohne Rückstandszugabe gepflügt wurde.

Die Gemüsereste bestanden aus einer Mischung aus Babykohl, Blumenkohl, Sellerie und Spargel-Salat, die aus einem lokalen Handelszentrum gesammelt wurden. Im Jahr 2021 wurde Mais unter Direktsaatbedingungen angebaut; im Jahr 2022 wurde die Damm-Furchen-Mulchtechnik eingeführt.

Zu den Schlüsselmessungen gehörten:

• Physikochemische Bodeneigenschaften: Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt, pH-Wert, Redoxpotential (RP), gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) und anorganischer Stickstoff (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N).
• Treibhausgasemissionen (THG): CO₂, N₂O und CH₄-Flüsse wurden mittels statischer Kammern und Gaschromatographie überwacht.
• Klimaimpakt-Metriken: Das Netto-Erwärmungspotenzial (NGWP) und die Treibhausgasintensität (GHGI) wurden berechnet, wobei direkte Bodenemissionen, indirekte Emissionen aus landwirtschaftlichen Operationen und das Kohlenstoffsequestrierungspotenzial durch die Einarbeitung der Rückstände integriert wurden.
• Ernteproduktivität: Die Biomasseerträge des Siljamaises wurden im physiologischen Milchreifestadium gemessen.
• Statistische Analyse: Die Daten wurden mittels ANOVA, Strukturgleichungsmodellen (SEM), Pearson-Korrelation und Random-Forest-Analyse ausgewertet, um die Bedeutung der Faktoren zu bestimmen.

Hauptergebnisse

• Physikochemische Bodeneigenschaften: Die hochdosierte Einarbeitung veränderte die Bodenbedingungen signifikant. Sowohl die Einarbeitungsrate als auch die Tiefe korrelierten positiv mit der Bodentemperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt. Die Einarbeitung der Rückstände induzierte eine biphasische Reaktion des Boden-pH-Werts (anfänglicher Anstieg gefolgt von einem Abfall) und eine anhaltende Senkung des Redoxpotentials. DOC- und NH₄⁺-N-Konzentrationen erreichten 15–30 Tage nach der Einarbeitung ihre Spitzenwerte und waren stark dosisabhängig; sie stiegen im Vergleich zur Kontrolle um das bis zu 4,8-fache (DOC) und das 139,9-fache (NH₄⁺-N) an. Im Gegensatz dazu zeigte die NO₃⁻-N-Akkumulation einen inversen Trend zur Intensität der Einarbeitung.
• THG-Emissionen: Eine Erhöhung der Einarbeitungsrate steigerte die CO₂-, N₂O- und CH₄-Emissionen signifikant (jeweils das 5,15–12,77-fache, 25,54–70,67-fache bzw. 0,92–2,24-fache der Kontrolle). Die CO₂-Emissionen zeigten ein trimodales zeitliches Muster mit einem Peak an Tag 20. N₂O-Emissionen wurden primlich durch die Einarbeitungstiefe beeinflusst, wobei tiefere Einarbeitung die Emissionen bei niedrigeren Raten (W1, W2) unterdrückte, aber bei der höchsten Rate (W3) erhöhte. Die CH₄-Flüsse verschoben sich nach Tag 150 von positiv zu negativ (Senke).
• Netto-Erwärmungspotenzial (NGWP) und GHGI: Trotz erhöhter THG-Emissionen führten die hochdosierten Behandlungen zu negativen NGWP-Werten, was auf einen Netto-Kohlenstoffsenken-Effekt hindeutet. Es bestand eine starke negative Korrelation zwischen der Einarbeitungsrate und dem NGWP (r = -0,91, P < 0,01). Die Vorteile der Kohlenstoffsequestrierung durch die massive organische Kohlenstoffzufuhr überwogen die damit verbundenen Emissionen.
• Ernteertrag: Die Siljamaiserträge reagierten parabolisch auf die Einarbeitungsrate. Moderate Raten (W1 und W2) steigerten die Erträge signifikant (um bis zu 112,4 % gegenüber der Kontrolle), während die höchste Rate (W3) zu Ertragsrückgängen führte (17,7–41,1 % unter der Kontrolle), was auf Sekundärsalinisierung und übermäßige Nährstoffakkumulation zurückzuführen ist. Der Ertrag zeigte eine positive lineare Beziehung zur Einarbeitungstiefe.
• Optimale Strategie: Die Kombination aus einer Einarbeitungsrate von 1600 t·ha⁻¹ (W2) und einer Einarbeitungstiefe von 30 cm (D3) wurde als optimal identifiziert. Diese Behandlung maximierte die Ertragsvorteile der Kulturpflanze bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltauswirkungen und erreichte ein Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffsequestrierung und Ertrag.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass die einmalige hochdosierte Einarbeitung von Gemüseresten eine machbare Strategie für das semiaride Lössplateau ist, um sowohl die Abfallentsorgung als auch die Bodenfruchtbarkeit zu adressieren. Die Studie zeigt, dass die Einarbeitung zwar zunächst die THG-Emissionen stimuliert, die beträchtliche Kohlenstoffsequestrierungskapazität und der daraus resultierende Anstieg der Pflanzenproduktivität (bei moderaten Behandlungen) diese Emissionen jedoch effektiv kompensieren, was zu einer Nettoverringerung des Erwärmungspotenzials führt.

Die Autoren behaupten, dass diese Praxis die Bodenfruchtbarkeit verbessern, synthetische Düngemittel teilweise ersetzen und die Ernteerträge steigern kann, wodurch eine nachhaltige Ressourcennutzung gefördert wird. Sie mahnen jedoch zur Vorsicht, da übermäßige Aufwandmengen (z. B. 2400 t·ha⁻¹) zu Bodenversalzung und Ertragsrückgang führen können, was die Notwendigkeit unterstreicht, optimale Raten und Tiefen zu identifizieren. Die Studie liefert entscheidende Erkenntnisse für die Balance zwischen Kohlenstoffsequestrierungszielen und landwirtschaftlicher Produktivität und legt nahe, dass die kontrollierte Einarbeitung von Gemüseresten, insbesondere in Kombination mit agronomischen Maßnahmen wie der Damm-Furchen-Mulchtechnik, eine nachhaltige Bewirtschaftungsstrategie für aride Regionen darstellt. Die Autoren merken an, dass langfristige Überwachungen erforderlich sind, um die Nachhaltigkeit dieser Strategien im Hinblick auf die Bodencarbon-Sättigung und anhaltende THG-Emissionen vollständig zu bewerten.