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

Technische Samenvatting: Eenmalige hooggedoseerde incorporatie van groenteresten in droge gebieden

Probleemstelling
China genereert jaarlijks meer dan 340 miljoen ton aan groenteresten, wat de op één na grootste bron van landbouwresiduen vormt na de stro van basisgewassen. Hoewel deze residuen aanzienlijke nutriëntenvoorraden (N, P, K) en organische stof bevatten, bemoeilijken hun hoge vochtgehalte (>85%) en lage droge stofgehalte (<15%) de efficiëntie van traditionele methoden voor inwerken in het veld. Onjuiste verwerking op handelsmarkten en in productiegebieden veroorzaakt ernstige milieuvervuiling. Bovendien kampt het Loessplateau, een belangrijk groenteproductieregio, met bodemdegradatie door intensieve cultivatie en ontoereikende bemesting, waarbij de huidige opbrengsten vaak onder de 60% van hun potentieel liggen. Er is een kritieke behoefte aan het bepalen van optimale strategieën voor het recyclen van groenteresten die een balans vinden tussen milieubescherming (broeikasgasemissies) en agrarische productiviteit in semi-aride ecosystemen.

Methodologie
Een tweejarig veldexperiment (2020–2022) werd uitgevoerd bij de Experimental Station of Semi-Arid Ecosystem op het Loessplateau (Gansu, China). De studie maakte gebruik van een gerandomiseerd blokontwerp met silagemaïs (Zea mays L.) als testgewas. De experimentele behandelingen bestonden uit een factoriële combinatie van:

• Incorporatieratio's (W): Drie niveaus van eenmalige hooggedoseerde toepassing van groenteresten: W1 (800 t·ha⁻¹), W2 (1600 t·ha⁻¹) en W3 (2400 t·ha⁻¹).
• Incorporatiediepte (D): Drie dieptes: D1 (10 cm), D2 (20 cm) en D3 (30 cm).
• Controle: Een behandeling zonder incorporatie (NW), waarbij de bovenlaag van de bodem werd geploegd zonder toevoeging van residu.

De groenteresten bestonden uit een mengsel van babykool, bloemkool, selderij en aspergelletuce verzameld bij een lokaal handelscentrum. In 2021 werd maïs geteeld onder niet-kerende grondbewerking; in 2022 werd de ridge-furrow mulching-technologie geïntroduceerd.

Belangrijke metingen omvatten:

• Fysisch-chemische eigenschappen van de bodem: Temperatuur, vochtgehalte, pH, redoxpotentiaal (RP), opgeloste organische koolstof (DOC) en anorganische stikstof (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N).
• Broeikasgasemissies (GHG): CO₂, N₂O en CH₄ fluxen werden gemonitord met behulp van statische kamers en gaschromatografie.
• Klimaatimpactmetrieken: Netto Global Warming Potential (NGWP) en Greenhouse Gas Intensity (GHGI) werden berekend, waarbij directe bodememissies, indirecte emissies van agrarische werkzaamheden en het koolstofvastleggingspotentieel door residu-incorporatie werden geïntegreerd.
• Gewasproductiviteit: De biomassa-opbrengst van silagemaïs werd gemeten tijdens het fysiologische melkstadium.
• Statistische analyse: Gegevens werden geanalyseerd met behode van ANOVA, Structurele Vergelijkingsmodellering (SEM), Pearson-correlatie en Random Forest-analyse om de factorbelangrijkheid te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

• Fysisch-chemische eigenschappen van de bodem: Hooggedoseerde incorporatie veranderde de bodemomstandigheden aanzienlijk. Zowel de incorporatieratio als de -diepte correleerden positief met de bodemtemperatuur en het vochtgehalte. Residue-incorporatie induceerde een bifasische respons in de bodem-pH (initieel stijging gevolgd door een daling) en een aanhoudende afname van het redoxpotentiaal. DOC- en NH₄⁺-N-concentraties piekten 15–30 dagen na incorporatie en waren sterk dosisafhankelijk, met een toename tot respectievelijk 4,8 keer (DOC) en 139,9 keer (NH₄⁺-N) ten opzichte van de controle. Daarentegen vertoonde de accumulatie van NO₃⁻-N een omgekeerde trend met de intensiteit van de incorporatie.
• Broeikasgasemissies (GHG): Het verhogen van de incorporatieratio verhoogde de CO₂-, N₂O- en CH₄-emissies aanzienlijk (respectievelijk 5,15–12,77, 25,54–70,67 en 0,92–2,24 keer de controle). CO₂-emissies vertoonden een tri-modaal temporeel patroon, met een piek op dag 20. N₂O-emissies werden primair beïnvloed door de incorporatiediepte, waarbij diepere incorporatie de emissies bij lagere ratio's (W1, W2) onderdrukte, maar ze bij de hoogste ratio (W3) juist verhoogde. CH₄-fluxen verschoven van positief naar negatief (sink) na dag 150.
• Netto Global Warming Potential (NGWP) en GHGI: Ondanks de toegenomen GHG-emissies resulteerden de hooggedoseerde behandelingen in negatieve NGWP-waarden, wat wijst op een netto koolstofsink-effect. Er was een sterke negatieve correlatie tussen de incorporatieratio en de NGWP (r = -0,91, P < 0,01). De voordelen van koolstofvastlegging door de massale organische koolstofinput wogen op tegen de bijbehorende emissies.
• Gewasopbrengst: De silagemaïs-opbrengst reageerde parabool op de incorporatieratio. Matige ratio's (W1 en W2) verhoogden de opbrengst significant (tot 112,4% ten opzichte van de controle), terwijl de hoogste ratio (W3) leidde tot opbrengstdalingen (17,7–41,1% onder de controle), toegeschreven aan secundaire verzilting en excessieve nutriëntenaccumulatie. De opbrengst vertoonde een positieve lineaire relatie met de incorporatiediepte.
• Optimale Strategie: De combinatie van een toepassing van 1600 t·ha⁻¹ (W2) en een incorporatiediepte van 30 cm (D3) werd geïdentificeerd als optimaal. Deze behandeling maximaliseerde de voordelen voor de gewasproductiviteit terwijl de milieueffecten werden geminimaliseerd, waarmee een evenwicht werd bereikt tussen koolstofvastlegging en opbrengst.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat een eenmalige hooggedoseerde incorporatie van groenteresten een haalbare strategie is voor het semi-aride Loessplateau om zowel afvalbeheer als bodemvruchtbaarheid aan te pakken. De studie toont aan dat hoewel dergelijke incorporatie aanvankelijk de GHG-emissies stimuleert, het aanzienlijke potentieel voor koolstofvastlegging en de resulterende toename in gewasproductiviteit (bij matige behandelingen) deze emissies effectief compenseren, wat leidt tot een netto reductie van het globale opwarmingspotentieel.

De auteurs stellen dat deze praktijk de bodemvruchtbaarheid kan verbeteren, synthetische meststoffen gedeeltelijk kan vervangen en de gewasopbrengsten kan verhogen, waardoor duurzaam hulpbronnenbeheer wordt bevorderd. Ze waarschuwen echter dat excessieve toedieningspercentages (bijv. 2400 t·ha⁻¹) kunnen leiden tot bodemverzilting en opbrengstdaling, wat het belang van het identificeren van optimale ratio's en dieptes benadrukt. De studie biedt cruciale inzichten voor het balanceren van koolstofvastleggingsdoelen met agrarische productiviteit, en suggereert dat gecontroleerde incorporatie van groenteresten, met name wanneer dit wordt gecombineerd met agronomische interventies zoals ridge-furrow mulching, een duurzame beheersstrategie vormt voor aride regio's. De auteurs merken op dat langetermijnmonitoring vereist is om de duurzaamheid van deze strategieën met betrekking tot bodenkoolstofverzadiging en voortdurende GHG-emissies volledig te beoordelen.