اثر بخشی سامانه ‏های خاکورزی حفاطتی بر کیفیت خاک در نظام‏های زراعی دیم مبتنی بر کشت گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه کشاورزی اکولوژیک، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 موسسه تحقیقات دیم سرارود، کرمانشاه، ایران

چکیده

سابقه و هدف: سلامت خاک از مولفه ‏های اصلی در دستیابی به سامانه ‏‏های کشاورزی پایدار بوده که به شدت تحت تاثیر عملیات زراعی مانند خاکورزی قرار می ‏گیرد. سلامت خاک را  می توان با استفاده از پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک در قالب الگوریتم‏ های مشخص کمّی کرد. در نتیجه، بررسی وضعیت کیفی و توان باروری خاک در سامانه ‏‏های مدیریتی مختلف زمین جهت استقرار عملیات زراعی مناسب برای دستیابی به تولید بهینه و نظام‌های زراعی پایدار امری ضروری می‏ باشد. چارچوب ارزیابی مدیریت خاک SMAF 1 به عنوان ابزاری قدرتمند و قابل اعتماد در جهت ارزیابی اثر مدیریت زراعی مختلف بر کیفیت و سلامت خاک مورد استفاده می ‏باشد. هدف از انجام این مطالعه ارزیابی و کمی ‏‏سازی اثر روش‏ های مختلف خاکورزی بر کیفیت خاک با استفاده از الگوریتم SMAF می‏ باشد.  
مواد و روش­ ها: مطالعه حاضر در قالب یک آزمایش مزرعه ‏ای دو ساله در سال‏ های زراعی 97-96 و 98-97 در چهار منطقه استان کرمانشاه انجام گردید. تیمارهای آزمایشی شامل سامانه‏ های خاکورزی (بی‏ خاکورزی، خاکورزی کاهشی و خاکورزی مرسوم) بوده که در 12 مزرعه در سطح منطقه مطالعه به اجرا در آمدند. در نظام تناوبی در سال اول گندم زمستانه (Triticum aestivum L.) و سال دوم نخود زمستانه (Cicer arietinum L.) در مزارع کشاورزان کشت شد. نمونه ‏برداری خاک از عمق 0-30 سانتی متری خاک در دو مرحله؛ در ابتدای سال اول قبل از شروع آزمایش و در پایان سال دوم بعد از برداشت محصول انجام شد که بعد از آن خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک شامل وزن مخصوص ظاهری، فسفر، پتاسیم، اسیدیته، هدایت الکتریکی، کربن آلی خاک، کربن بیومس میکروبی و نیتروژن بیومس میکروبی اندازه گیری و با استفاده از SMAF  امتیاز دهی شدند.
نتایج و بحث: نتایج تحقیق نشان داد اجرای سامانه ‏های خاکورزی حفاظتی برخی از خصوصیات و شاخص ‏های کیفیت خاک را بهبود بخشید، که بیانگر اثر مثبت کاهش اختلال خاک بر کیفیت خاک است. اگرچه امتیاز خصوصیات و شاخص ‏های فیزیکی و شیمیایی خاک در پایان سال دوم تغییر قابل ملاحظه ‏ای در مقایسه با شرایط قبل از اعمال تیمارها نشان ندادند، اما خصوصیات بیولوژیکی خاک نظیر کربن بیومس میکروبی و کربن آلی خاک بطور مثبتی تحت تاثیر سامانه‏‏ های خاکورزی قرار گرفتند. داده ‏های حاصل از اندازه گیری خصوصیات خاک به خوبی در الگوریتم SMAF منعکس گردید. نتایج نشان داد که در پایان آزمایش شاخص کیفیت خاک در سامانه خاکورزی مرسوم در مقایسه با سامانه ‏های خاکورزی حفاظتی کمتر بوده و نسبت به شروع آن تغییر چندانی نداشته است. سامانه بی ‏خاکورزی بیشترین مقدار شاخص کیفیت خاک (65/0) را در این مرحله دارا بود، که همان‏گونه که در توصیف کمی خصوصیات خاک بیان گردید، عمدتاً به دلیل بهبود شرایط بیولوژیکی خاک می ‏باشد. تخریب خاک به دلیل خاکورزی زیاد، عدم حفظ بقایای محصول و استفاده بی‌رویه از کودهای شیمیایی نه تنها ماده آلی خاک را کاهش می‏ دهد بلکه موجب تخریب خصوصیات فیزیکی خاک نیز می‏ گردد.
نتیجه­ گیری: به طور کلی نتایج تحقیق نشان داد که سامانه‏ های خاکورزی حفاظتی می ‏توانند کیفت خاک و کارآیی آن را در مناطق دیم بهبود بخشیده و الگوریتمSMAF  نیز می ‏تواند به عنوان ابزاری مفید برای ارزیابی و پایش کیفیت خاک سامانه ‎های زراعی مختلف در مناطق دیم مورد استفاده قرار گیرد. با این حال استناد به داده ‏های این تحقیق مستلزم ارائه نتایج در دراز مدت بوده و به منظور ارزیابی کارآیی بوم‏نظام خاک در ارائه خدمات اکوسیستمی، مقایسه سامانه ‏‏های زراعی با سامانه ‏‏های پایدارتر نظیر جنگل‏ ها و مراتع ضروری می ‏باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Efficacy of conservation tillage systems on soil quality in wheat-based cropping systems in dryland agroecosystems

نویسندگان [English]

  • Akhtar Veisi 1
  • Hadi Veisi 1
  • Korous Khoshbakht 1
  • Reza Mirzaei Talarposhti 1
  • Reza Haghparast 2
1 Department of Ecological Agriculture, Environmental Sciences Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Sarahrood Dryland Research Institute, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Introduction: Soil health as one of the main components to achieve sustainable agricultural systems is being adversely affected by agricultural operations such as tillage. Soil health can be quantified using the specific physical, chemical, and biological parameters of the soil via specific quantitative soil quality methods. As a result, studying soil quality and fertility in different land management systems is essential to establish appropriate crop operations to achieve optimal production and sustainable cropping systems. Soil Management Assessment Framework (SMAF) is used as a powerful and reliable tool to assess the effect of different crop management on soil quality and health. This study aims to evaluate and quantify the effect of different tillage methods on soil quality using the SMAF algorithm.
Material and methods: The present study was conducted as a field experiment based on a randomized complete block design during two cropping years in 2016-2017 and 2017-2018, in four replications. Experimental treatments included tillage methods (no-tillage, reduced tillage, and no-tillage), and the areas were considered replication. Winter wheat (Triticum aestivum L.) was planted in the first year, followed by winter chickpea (Cicer arietinum L.) in the second year of crop rotation in farmers' fields. Soil sampling from a soil depth of 0-30 cm was taken in two stages, before planting wheat at the beginning and after harvesting chickpeas in the second year. Important soil parameters were measured, including bulk density, phosphorus, potassium, acidity, electrical conductivity, soil organic carbon, carbon, microbial biomass, and microbial biomass nitrogen.
Results and discussion: The results showed that implementing the conservation tillage methods improved some of the important soil parameters and soil quality index, indicating the positive effect of minimum soil disturbance and crop residue maintenance on soil quality. Although the physical and chemical properties of soil at the end of the second year did not change significantly compared to pre-treatment conditions, soil biological properties such as microbial biomass carbon and soil organic matter were positively affected by tillage systems. The laboratory-measured data of soil properties were well reflected in the SMAF algorithm. The results showed that at the end of the experiment, the soil quality index in the conventional plowing system was lower compared to conservation tillage methods. No-tillage had the highest value of soil quality index (0.65) at the end of the experiment. As stated in the quantitative description of soil properties, the higher quality index in the no-tillage method is mainly due to the improvement of soil biological conditions. Soil degradation due to excessive plowing, lack of residue preservation, and improper use of chemical fertilizers not only reduces soil organic matter but also degrades the physical properties of soil.
Conclusion: In general, the results showed that conservation tillage methods could improve soil quality and efficiency in dryland areas, and the SMAF algorithm can be a useful tool to assess and monitor the soil quality of various cropping systems in dryland areas. However, citing the data of this study requires long-term results, and in order to evaluate the efficiency of the soil ecosystem to provide ecosystem services, it is necessary to compare crop systems with more sustainable systems such as forests and pastures

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil Quality Index
  • No-tillage
  • Reduced Tillage
  • Dryland areas

مراجع

Abbasi, H., Khodavardilo, H., Ghorbani Dashtaki, Sh. and Ahmadi Moghadam, P., 2013. The effect of some tillage methods on soil physical quality indicators in an arid and semi-arid region. Journal of Farmer Mechanization. 2, 37-45.
Andrews, S.S., Karlen, D.L. and Cambardella, C.A., 2004. The soil management assessment framework: a quantitative soil quality evaluation method. Soil Science Society of America Journal. 68, 1945–1962.
Apesteguía, M., Virto, I., Orcaray, L., Bescansa, P., Enrique, A., Imaz, M.J. and Karlen, D.L., 2017. Tillage effects on soil quality after three years of irrigation in northern spain. Sustainability. 1–20.
Araya, T., Nyssen, J., Govaerts, B., Deckers, J., Sommer, R., Bauer, H., Gebrehiwot, K. and Cornelis, W.M., 2016. Seven years resource-conserving agriculture effect on soil quality and crop productivity in the Ethiopian drylands. Soil and Tillage Research. 163, 99–109.
Bonini da Luz, F., Rodrigues da Silva, V., Mallmann, F.J.K., Bonini Pires, C.A., Debiasi, H., Franchinid, J.C. and Cherubin, M.R., 2019. Monitoring soil quality changes in diversi fi ed agricultural cropping systems by the Soil Management Assessment Framework (SMAF) in southern Brazil. Agriculture, Ecosystems and Environment. 281, 100–110.
Cherubin, M.R., Karlen, D.L., Franco, A.L.C., Cerri, C.E.P., Tormena, C.A. and Cerri, C.C., 2016. A soil management assessment framework (SMAF) evaluation of brazilian sugarcane expansion on soil quality. Soil Science Society of America Journal. 1-13.
Cherubin, M.R., Tormena, C.A. and Karlen, D.L., 2017. Soil quality evaluation using the Soil Management Assessment Framework ( SMAF) in brazilian oxisols with contrasting texture. 1–18.
Cooper, R.J., Hama-Aziz, Z.Q., Hiscock, K.M., Lovett, A.A., Vrain, E., Dugdale, S.J., Sünnenberg, G.,Dockerty, T., Hovesen, P. and Noble, L., 2020. Conservation tillage and soil health: Lessons from a 5-year UK farm trial (2013–2018). Soil and Tillage Research. 202, 104648.
Feiziene, D., Janusauskaite, D., Feiza, V., Putramentaite, A. and Sinkeviciene, A., 2015. After-effect of long-term soil management on soil respiration and other qualitative parameters under prolonged dry soil conditions. Turk J Agric For. 39, 633–651.
Gugino, B.K., Idowu, O.J., Schindelbeck, R.R., van Es, H.M., Wolfe, D.W., Moebius-Clune, B.N., Thies, J.E. and Abawi, G.S., 2009.  Cornell soil health assessment training manual. new york state agricultural experiment station. Available to download at: http://soilhealth.cals.cornell.edu
Gura, I. and Mnkeni, P.N.S., 2019. Geoderma Crop rotation and residue management e ff ects under no till on the soil quality of a Haplic Cambisol in Alice, Eastern Cape, South Africa. Geoderma. 337, 927–934.
Jamali, M., Jahansuz, M.R. And Tavakol Afshari, R., 2016. Investigation of the effect of tillage and priming systems on the share of main and secondary stems in soybean yield. Journal of Ecological Agriculture. 2, 259-277.
Joergensen, R.G. and Mueller, T., 1996. The Fumigation-Extraction Method to Estimate Soil Microbial Biomass: Calibration of the KEN Value. Soil Biology and Biochemistry. 28, 33–37.
Karlen, D.L., Andrews, S.S., Wienhold, B.J. and Zobeck, T.M., 2008. Soil quality assessment: past, present and future. J. Integr. Biosci. 6(1), 3–14.
Karlen, D.L., Cambardella, C.A., Kovar, J.L. and Colvin, T.S., 2013a. Soil quality response to long-term tillage and crop rotation practices. Soil and Tillage Research. 133, 54–64.
Karlen, D.L., Nance, C.D., Dinnes, D.L. and Meek, D.W., 2013b. SMAF: A Soil Health Assessment Tool. Jour. Iowa Acad. Sci. 120, 1–13.
Karlen, D.L., Peterson, G.A. and Westfall, D.G., 2014. Soil and water conservation: our history and future challenges. Soil Sci. Soc. Am. J. 78, 1493–1499.
Kihara, J., Bolo, P., Kinyua, M., Nyawira, S.S. and Sommer, R., 2020. Soil health and ecosystem services: Lessons from sub-Sahara Africa (SSA). Geoderma. 370, 114342.
Kuchaki, A. and Kamali, G., 2010. Climate change and dryland wheat production in Iran. Iranian Journal of Field Crops Research. 8(3), 508-520.
Liebig, M.A., Tanaka, D.L. and Wienhold, B.J., 2004. Tillage and cropping effects on soil quality indicators in the northern Great Plains. 78, 131–141.
Liebig, M.A., Varvel, G.E. and Doran, J.W., 2001. A simple performance-based index for assessing multiple agroecosystem functions. Agron. J. 93,313–318.
Lisboa, L.P., Cherubin, M.R., Satiro, L.S., Siqueira-Neto, M., Lima, R.P., Gmach, M.R., Wienhold, B.J., Schmer, M.R., Jin, V.L., Carlos C., Cerri, C.C. and Cerri, C.E.P., 2019. Applying Soil Management Assessment Framework (SMAF) on short-term sugarcane straw removal in Brazil. Industrial Crops and Products. 129, 175–184.
Maynard, D.G. and Kalra, Y.P., 1993. Nitrate and exchangeable ammonium nitrogen. In: Carter, M.R. (Eds.), Soil sampling and methods of analysis Canadian Society of Soil Science Press, pp. 25-40.
Mitchell, J.P., Shrestha, A., Mathesius, K., Scow, K.M., Southard, R.J., Haney, R.L., Schmidt, R., Munk, D. S. and Horwath, W.R., 2017. Cover cropping and no-tillage improve soil health in an arid irrigated cropping system in California’s San Joaquin Valley, USA. Soil and Tillage Research. 165, 325–335.
Moebius-Clune, B.N.N., Moebius-Clune, D.J.J., Gugino, O.J., Idowu, R.R.S., Ristow, A.J. van Es, H.M., Thies, J.E., Shayler, H.A., McBride, M.B., Kurtz, K.S.M., Wolfe, D.W.W. and Abawi, G.S., 2016. Comprehensive assessment of soil health: The Cornell Framework Manual, Edition 3.1, Cornell Univ., Ithaca, NY. 51, 1-123.
Najafzadeh, N., Rahmati, M. And cheapness, K., 2012. Rain water management and efficiency in rainfed agriculture. The first national conference on rainwater catchment systems, 13th-14th December, Mashhad, Iran.
Rahman, M.A., 2017. What is Arid or Dryland Agriculture? [Blog Post]. Retrieved from,  http://aridagriculture.com/2017/07/23/what-is-arid-or-dryland-agriculture.
Razi University Climate, 2013. Available online at: http://raziclimate.ir/222-kermanshah-climate.html
Rossi, A.M., Hirmas, D.R., Graham, R.C. and Sternberg, P.D., 2008. Bulk density determination by automated three-dimensional laser scanning. Soil Sci. Soc. Am. J. 72, 1591-1593.
Sarikhani Khorami, S., Kazemeini, S.A., Afzalinia, S. adn Kumar Gathala, M., 2018. Changes in Soil Properties and Productivity under Different Tillage Practices and Wheat Genotypes: A Short-Term Study in Iran. Sustainability. 10, 1–17.
Skaalsveen, K., Ingram, J. and Clarke, L.E., 2019. The effect of no-till farming on the soil functions of water purification and retention in north-western Europe: A literature review. Soil and Tillage Research. 189, 98–109.
USDA–NRCS., 2001. National Agronomy Manual. Available online at: ftp.ftw.nrcs.usda.gov/pub/Nat_Agron_Manual.
USDA–NRCS., 2018. Soil Health. Available online at: https://www.farmers.gov/conserve/soil-health.
Wienhold, B.J., Karlen, D.L. Andrews, S.S. and Stott, D.E., 2009. Protocol for indicator scoring in the soil management assessment framework (SMAF). Renewable Agriculture and Food Systems. 24, 260–266.
Williams, H., Colombi, T., and Keller, T., 2020. The influence of soil management on soil health: An on-farm study in southern Sweden. Geoderma. 360, 114010.
Yang, T., Siddique, K.H.M., and Liu, K. 2020. Cropping systems in agriculture and their impact on soil health-a review. Global Ecology and Conservation. 23, e01118.
Zobeck, T.M., Steiner, J.L., Stott, D.E., Duke, S.E., Starks, P.J., Moriasi, D.N. and Karlen, D.L., 2015. Soil quality index comparisons using Fort Cobb, Oklahoma, watershed-scale land management data. Soil Science Society of America Journal. 79, 224–238. Availale online at: https://doi.org/10.2136/sssaj2014.06.0257.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 20، شماره 3
1401
صفحه 173-190

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار