Επίδραση της χρήσης γης στη ποιότητα του εδάφους και στη διαθεσιμότητα των θρεπτικών στοιχείων σε εδάφη μεσογειακών άγρο-οικοσυστημάτων

Abstract

Soil quality or soil health has emerged as the central concept for examining and integrating relationships and functions among various biological, chemical and physical parameters of soils which are important in the context of sustainable land use and management. The present study was undertaken to examine the impact of land use on a wide set of soil quality indicators, and to propose a minimum data set of soil properties that could be used for the evaluation and monitoring of soil quality after land use or soil management changes in Mediterranean agro-ecosystems. Seasonal examination of 23 soil physical, chemical and biological properties / soil quality indicators, was performed in five representative types of Mediterranean Agroecosystems. These were pine forests (Pinus brutia), olive groves, wheat cultivations, annual crop rotation of irrigated maize (summer) followed by rainfed cereals (winter), and shrubland pastures, which all, bounded around the Gulf of Kalloni in central Lesvos. The area was extensively sampled for the determination of soil properties and identification of 3 representative fields from each land use/cover type, in a slope < 3% in order to minimize erosion effects, within the same soil type in terms of soil texture. Seasonal samplings in three depths (0-15cm, 15-30cm, 30-45cm) from the selected fields were performed for two years and 23 physical, chemical and biological soil properties was determined by laboratory analyses. The results were treated by univariate and multivariate statistic analysis. The soil properties analyzed include: Water holding capacity, soil water content, bulk density, porosity, clay, sand, silt content, organic carbon total nitrogen, available phosphorus, nitrate, ammonium, available nitrogen, pH, electric conductivity, carbon/nitrogen ratio, soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen, active carbon, and ratios of soil microbial biomass carbon /soil microbial biomass nitrogen, soil microbial biomass nitrogen/soil organic carbon, soil microbial biomass nitrogen/total nitrogen, active carbon/soil organic carbon. The results of the study highlights the crucial role of land use in soil functions and performance of soil quality indicators. Land use specify the total content of soil organic matter, and also its qualitative characteristics, such as the "active" carbon pools in soil which controls soil nutrient availability, and soil microbial community composition. Fundamental factor in seasonal variation of soil functions in the Mediterranean agroecosystems, is the soil moisture, which directly affects soil biological potential and hence the availability mineral nutrients in the soil. Although the model of seasonal variation of biological soil properties such as soil microbial biomass appears independent of the land use when no irrigation performed, the values of biological properties affected by land use and determined mainly by the concentrations of 'active' carbon pools that promote microbial activity. This is why in autumn, with the onset of rainfall after the prolonged dry and hot Mediterranean summer, at land uses with high concentrations of "active" carbon pools such as wheat cultivations and pasture, soil microbial biomass composition differentiates with the dominance of bacteria against fungi, leading to high mineralization rates of soil organic matter and resulting at nitrate nitrogen concentrations that could be lost below the rooting zone, under specific conditions. Through univariate multivariate combination of statistical analyses, including Principal Components and Discriminant Analysis, for the whole set of soil quality indicators examined, incorporating the effects of land use and season, five dominant factors detected to represent the soil function. The factors named in regard to the composed soil properties: organic matter, microbial biomass, inorganic salts, the C/N ratio, and the soil structure, which is able to interpret soil quality alteration relative to land use change. In particular, the soil total nitrogen and the ratio soil C/N ratio highlighted as key indicators that are able to provide strong evidence for soil quality changes resulting from land use or soil management changes. The proposed indicators incorporating condensed information on soil quality can be used as management tools to assess the sustainability of soil resources. Their application allows land managers and farmers to identify easily, quickly and timely the direction of change in soil quality after land use change and / or the adoption of new soil management, allowing the re-evaluation of their soil management plans.

Η ποιότητα του εδάφους αποτελεί μια ολιστική προσέγγιση εξέτασης των σχέσεων και λειτουργιών μεταξύ των βιολογικών, χημικών και φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, που κρίνεται επιβεβλημένη στο πλαίσιο της αειφορίας των χρήσεων γης και της διαχείρισης των μη ανανεώσιμων εδαφικών πόρων. H διδακτορική διατριβή μελετά την επίδραση της χρήσης γης σε ένα ευρύ σύνολο δεικτών ποιότητας του εδάφους, με απώτερο στόχο την ανάδειξη ενός περιορισμένου αριθμού εδαφικών ιδιοτήτων που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκριτική αξιολόγηση και παρακολούθηση της ποιότητας του εδάφους με την αλλαγή της χρήσης της γης, ή των διαχειριστικών πρακτικών στα εδάφη. Η προσέγγιση του θέματος πραγματοποιείται με τη διερεύνηση της εποχικής συμπεριφοράς 23 εδαφικών (φυσικών, χημικών και βιολογικών) ιδιοτήτων/δεικτών ποιότητας εδάφους σε πέντε αντιπροσωπευτικά μεσογειακού τύπου AγροOικοσυστήματα. Συγκεκριμένα οι πέντε χρήσεις γης, που οριοθετούνται περιμετρικά του κόλπου Καλλονής στη κεντρική Λέσβο, περιλαμβάνουν: Δάσος τραχείας Πεύκης, Βοσκότοπο φρυγανικού τύπου, Ελαιώνα, Καλλιέργεια σιτηρών, και Διπλή καλλιέργεια αραβόσιτου-σιτηρών (αρδευόμενος αραβόσιτος το καλοκαίρι, σιτηρά το χειμώνα). Για τις ανάγκες τις έρευνας πραγματοποιηθήκαν εκτεταμένες δειγματοληψίες εδάφους για 3 έτη, εργαστηριακές αναλύσεις 23 φυσικών, χημικών και βιολογικών εδαφικών ιδιοτήτων, καθώς και στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων των εργαστηριακών αναλύσεων με μονομεταβλητές και πολυμεταβλητές στατιστικές μεθόδους ανάλυσης. Οι εδαφικές ιδιότητες που εξετάστηκαν ήταν η υδατοικανότητα η εδαφική υγρασία, το πορώδες, το φαινόμενο ειδικό βάρος, η περιεκτικότητα σε άργιλο, άμμο, και υλή, ο οργανικός άνθρακας, το ολικό άζωτο, ο διαθέσιμος φώσφορος, το αμμωνιακό νιτρικό και το διαθέσιμο άζωτο, το pH, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, ο λόγος άνθρακα προς άζωτο, ο άνθρακας και το άζωτο της μικροβιακής βιομάζας του εδάφους, ο ενεργός άνθρακας του εδάφους, τα κλάσματα μικροβιακού άνθρακα προς μικροβιακό άζωτο, μικροβιακού άνθρακα προς οργανικό άνθρακα, μικροβιακού αζώτου προς ολικό άζωτο, ενεργού άνθρακα προς ολικό άνθρακα. Στα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής αναδεικνύεται ο καθοριστικός ρόλος της χρήσης της γης στη λειτουργία του εδάφους, και η επίδραση της στο σύνολο των δεικτών ποιότητας του, υπό το ιδιόμορφο καθεστώς το οποίο διαμορφώνεται εντός κάθε χρήσης γης. Η χρήση της γης καθορίζει, εκτός της συνολικής περιεκτικότητας του εδάφους σε οργανική ουσία, και τα ποιοτικά της χαρακτηριστικά, όπως είναι οι «ευμετάβλητες» δεξαμενές του οργανικού άνθρακα του εδάφους. Η χρήση της γης επιδρά σημαντικά τόσο στη συγκέντρωση και τα χαρακτηριστικά των «ευμετάβλητων» δεξαμενών του οργανικού άνθρακα, οι οποίες αναδεικνύονται κυρίαρχες παράμετροι που καθορίζουν τα επίπεδα διαθεσιμότητας των θρεπτικών στοιχείων στα εδάφη, όσο και στη σύσταση της μικροβιακής κοινότητας του εδάφους. Βασικός παράγοντας της εποχικής διακύμανσης των λειτουργιών του εδάφους, αναδεικνύεται η εδαφική υγρασία, η οποία επηρεάζει άμεσα το βιολογικό δυναμικό του και κατ’ επέκταση την διαθεσιμότητα των ανόργανων θρεπτικών στοιχείων σε αυτό. Αν και το υπόδειγμα της εποχικής μεταβολής βιολογικών χαρακτηριστικών του εδάφους όπως ή μικροβιακή βιομάζα του εδάφους εμφανίζεται ανεξάρτητο από τη χρήση της γης, απουσία άρδευσης, οι τιμές του βιολογικού δυναμικού επηρεάζονται από τη χρήση γης και καθορίζονται πρωτίστως από τις συγκεντρώσεις των «ευμετάβλητων» δεξαμενών άνθρακα, που προωθούν τη μικροβιακή δραστηριότητα. Έτσι το φθινόπωρο με την έναρξη τον βροχοπτώσεων μετά το παρατεταμένο και ξηρό Μεσογειακό καλοκαίρι, στις χρήσεις με τις υψηλότερες τιμές «ευμετάβλητων» δεξαμενών άνθρακα όπως είναι τα σιτηρά και ο βοσκότοπος, παρουσιάζεται διαφοροποίηση στη σύνθεση της μικροβιακής τους κοινότητας στο έδαφος, με την κυριαρχία των βακτηρίων έναντι των μυκήτων, με στόχο την ταχεία ανoργανοποίηση οργανικών υλικών και αποτέλεσμα συγκεντρώσεις νιτρικού αζώτου που υπό προϋποθέσεις μπορούν να προκαλέσουν απώλεια νιτρικών εκτός της ζώνης του ριζοστρώματος. Μέσω του συνδυασμού πολυμεταβλητών στατιστικών αναλύσεων που περιλαμβάνουν τη Principal Components Analysis και Discriminant analysis για το συνόλο των δεικτών της ποιότητας του εδάφους που προσδιορίστηκαν εργαστηριακά και που ενσωματώνουν την επίδραση της χρήσης γης και της εποχής, υποδεικνύονται πέντε καθοριστικοί παράγοντες απεικόνισης της λειτουργίας του εδάφους που ονομάστηκαν ανάλογα με τις ιδιότητες που τους αποτελούν: η οργανική ουσία, η μικροβιακή βιομάζα, τα ανόργανα άλατα, ο λόγος C/N, και η εδαφική δομή, οι οποίοι είναι ικανοί να αποτυπώσουν συγκριτικά τις μεταβολές της ποιότητας του εδάφους με την αλλαγή της χρήσης γης. Ειδικότερα, οι εδαφικές ιδιότητες του ολικού αζώτου και του λόγου C/N του εδάφους αναδεικνύονται ως οι βασικοί δείκτες που είναι ικανοί να δώσουν σοβαρές ενδείξεις για τις μεταβολές της ποιότητας του εδάφους που προέρχονται από αλλαγές στη χρήση γης ή την εφαρμογή συγκεκριμένων διαχειριστικών πρακτικών. Οι προτεινόμενοι δείκτες που ενσωματώνουν συμπυκνωμένη πληροφορία για τη μεταβολή της εδαφικής ποιότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία για την αξιολόγηση της αειφορίας του εδαφικού πόρου. Η εφαρμογή τους επιτρέπει στους φορείς διαχείρισης των γαιών αλλά και στους παραγωγούς να προσδιορίζουν ευχερώς, ταχύτατα και έγκαιρα την κατεύθυνση της αλλαγής στη ποιότητα του εδάφους μετά την αλλαγή των χρήσεων γης ή/και την υιοθέτηση νέων πρακτικών, επιτρέποντας την επαναξιολόγηση των διαχειριστικών τους πρακτικών.