Tillage practices and their impact on soil organic carbon and the microbial community

Abstract

Soil microorganisms are important for climate regulation as well as for plant nutrition. In agricultural soils the microorganisms are affected by management choices, like which type of tillage that is used. Moldboard plowing, the most common tillage practice, increases mineralization which leads to soil organic carbon (SOC) loss, and may thus reduce soil quality. Conservation tillage practices infer less soil disturbance and they are considered to reduce mineralization compared to plowing, and favor fungi to greater extent than bacteria, which has been suggested to result in increased SOC content. Conservation tillage has been implemented by farmers worldwide to reduce soil erosion and also to improve farm economy.

The main aims of this thesis were to find out how conservation tillage affect SOC concentrations and the soil microbial community compared to plowing, and which type of farmers that are likely to use conservation tillage and why. The effects of tillage practice on SOC, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), saprotrophic fungi and bacteria, were evaluated using three Swedish long-term tillage experiments, whereas a questionnaire was sent out to Scanian farmers to find out more about conservation tillage use.

I found that long-term conservation tillage do not necessarily lead to an increase in SOC concentrations, and that fungi and particularly AMF benefit from reduced tillage. Although the tillage treatment effect on the microbial activity was not consistent, the respiration rate was often higher under conservation tillage than under plowing, at least when measured near the soil surface. Furthermore, a typical farmer who use conservation tillage is highly educated and work more than halftime with crop production. I also learned that crop rotation, labor savings and soil type are often considered when deciding on which tillage type to use.

To conclude, use of conservation tillage may not increase SOC concentrations in the studied areas, but can still be attractive to farmers as it benefits AMF and can lead to better farm economy, if implemented on suitable soil and with an adapted crop rotation.

Abstract (Swedish)

ATT PLÖJA MYCKET, LITE ELLER INGET ALLS

Vi blir fler och fler människor på vår planet, och år 2050 beräknas vi vara så många som 10 miljarder. Det innebär att vi måste kunna producera mer mat på en lika stor eller till och med mindre yta jämfört med idag. En stor del av den mat vi konsumerar produceras antingen direkt eller indirekt på åkrar runt om i världen. För lantbrukare som är inriktade på växtodling har jordbearbetning, t.ex. plöjning, länge varit en självklar del av jordbruket. Plogen är ett effektivt redskap som luckrar jorden och vänder ner ogräs så att de begravs och inte stör den nya grödan som ska sås. Plöjning innebär att det översta jordlagret (oftast ned till 20-30 cm djup) vänds nästan helt uppochned, vilket gör att man får en vågig och ojämn jordyta. För att få en slät yta efter plöjningen måste lantbrukaren därför bearbeta jorden lite extra, dock utan att vända på den. När man plöjer och rör om i jorden så stimulerar man markens mikroorganismer (svampar och bakterier) eftersom de kommer i kontakt med nya födoresurser (kolhaltiga material som t.ex. växtrester). Att mikroorganismernas nedbrytning av kolhaltiga material stimuleras gör att mer näringsämnen som växter kan ha nytta av frigörs, och till att mer markkol avges i form av koldioxid (respireras). Tyvärr har plöjning på många håll i världen lett till att jordarna har blivit mindre bördiga, eftersom tillförseln av kolhaltiga material inte uppväger mängden kol som respireras. Mer koldioxidutsläpp påverkar klimatet negativt och mindre kol i marken gör att risken för jorderosion ökar, vilket kan få negativa konsekvenser för lantbrukaren, samhället och miljön. För att minska erosionsproblemet har en del lantbrukare börjat använda olika former av reducerad jordbearbetning, några har till och med slutat helt med jordbearbetning innan sådd. Dessa metoder innebär att jorden störs mindre och att mängden växtrester på ytan ökar, vilket skyddar mot erosion. För lantbrukare som använder dessa mildare former av jordbearbetning är det även möjligt att spara både tid och pengar eftersom det går åt färre arbetstimmar och mindre bränsle. På senare tid har dessa former av jordbearbetning även uppmärksammats då de skulle kunna gynna inlagringen av kol i marken och därmed minska jordbrukets miljöpåverkan.

Syftet med mitt projekt var att undersöka hur markens kolhalt och dess mikroorganismer påverkas av olika former av jordbearbetning. Vissa förändringar som uppkommer när man byter jordbearbetningsmetod märker man inte av förrän efter flera år. För att kunna jämför de långsiktiga effekterna av olika jordbearbetningsmetoder använde jag mig därför av långtidsförsök. Tre långtidsförsök valdes ut, ett där man kunde jämföra plöjning med harvning (vilket kan liknas vid en lite djupare krattning och som är en mildare bearbetningsmetod), och två där man kunde jämföra plöjning med harvning och med en kombination av harvning och plöjning då och då. För att öka kopplingen mellan min forskning och jordbruket undersökte jag även hur skånska lantbrukare bearbetar sina åkrar och vilka faktorer som påverkar vilken typ av jordbearbetning som de väljer att använda.

Hur stod det till med markkolet, blev det mer kol om en mildare jordbearbetning använts?
Totalt så mätte jag kolhalten en gång under vår, sommar och höst, och det var bara under hösten som jag såg någon skillnad mellan plöjda och harvade fält. En möjlig förklaring är att inlagringen av kol, under perioden mellan sommar- och höstmätningen, översteg respirationen i de harvade fälten men inte i de plöjda. Således verkar det som att mildare jordbearbetning inte var tillräckligt för att öka kolkoncentrationen under de rådande förhållandena på mina försöksplatser.

Mikroorganismerna då?
Markens mikroorganismer kan stimuleras av plöjning, men de kan också skadas. Framförallt svampar sägs vara känsliga för störning eftersom de nätverk av rötter som de bygger i marken slits sönder när man jordbearbetar. Att använda mildare bearbetningsmetoder kan därför gynna svamparna, vilket kan vara bra eftersom de i jämförelse med bakterier anses ha en effektivare kolanvändning. Det innebär att mer av kolet från nedbrutet kolhaltigt material går till uppbyggnad av biomassa (kroppsvävnad) än till respiration. Man skulle därför kunna tänka sig att proportionellt mer svamp skulle öka mängden kol i marken. Förutom de svampar som lever på att bryta ner växtrester så finns det i marken även svampar som lever i förhållande med växter. Dessa symbiotiska svampar får kol från växterna i utbyte mot näringsämnen som svamparna tar upp från den omgivande jorden. När jorden bearbetas kan dock samarbetet mellan svamp och växt störas, så även dessa svampar brukar gynnas när plöjningen minskar. Jag fann att mängden symbiotisk svamp ökade om man använde mildare jordbearbetning och det även om resultaten varierade mellan försöksplatserna så fanns det även tecken på att mängden av nedbrytande svamp också ökade. Bakterierna å andra sidan ökade i en studie och var opåverkade i en annan och jag såg inga tendenser till att proportionerna av svamp gentemot bakterier förändrades. Eftersom mängden mikroorganismer inte säger så mycket om vad de gör så undersökte jag även hur aktiva de var. Detta kan göras för alla mikroorganismer tillsammans genom att mäta respirationstakten, d.v.s. mängden koldioxid de avger under en viss tid, men även för svampar och bakterier separat (dock endast de nedbrytande svamparna). Jag fann att respirationstakten oftast var högre när man inte plöjde än när man plöjde, dock endast i de övre 10 cm av jordlagret. En orsak skulle kunna vara att det är fler mikroorganismer som respirerar i den oplöjda jorden. När jag undersökte aktiviteten hos svampar och bakterierna separat så tittade jag på deras tillväxttakt, och effekterna av jordbearbetning var variabla och det är möjligt att tillväxttakten påverkades mer av säsong än av jordbearbetning. Sammanfattningsvis verkar mildare jordbearbetning gynna svampar, men även öka mängden koldioxid som avges till atmosfären.

Hur gör de skånska lantbrukarna?
När jag skickade ut min enkät till skånska lantbrukare så svarade de flesta att de använde någon form av mildare jordbearbetning. Från kommentarerna jag fick in så förstod jag att det var ganska vanligt att man minskade plöjningsdjupet, inte plöjde varje år eller bara harvade inför sådd. Valet av jordbearbetningsmetod avgjordes oftast av helhetsbilden men stor vikt lades vid växtföljd, tidsåtgång, avkastning och jordens textur. Till exempel var det några lantbrukare som påpekade att det gick bra att inte plöja om man odlat raps eller sockerbeta och sen skulle så stråsäd. Att man kan spara tid och pengar är vanliga argument för att övergå till att använda mildare jordbearbetning men en ganska betydande nackdel är att man måste kontrollera ogräset med bekämpningsmedel. Jag fann även att det var vanligare att lantbrukaren använde någon form av mildare jordbearbetning om den huvudsakliga arbetsinriktningen var växtproduktion och om personen hade en hög utbildning. Det framkom dessutom att lantbrukare som använder mildare jordbearbetning är mer positiva till konsekvenserna av brukandet än de som inte använder dessa bearbetningsformer. En möjlig förklaring är att mildare jordbearbetningsmetoder kräver mer fingertoppskänsla och övning för att fungera och innan man fått rätt på det kanske man får sämre resultat. När jag frågade lantbrukarna hur de tänkte bruka sin mark de kommande åren verkade de flesta vilja fortsätta på samma sätt som idag. Så om man kör runt i det skånska odlingslandskapet de närmsta åren se växtrestbestödda fält varvas med glänsande nyplöjda fält.

Vad drar jag för slutsatser av mina resultat?
Även om användning av mildare jordbearbetningsformer på mina försöksplatser inte verkar leda till någon ökning i markkol (även om mängden svamp ökar) så verkar det finnas tillräckligt med fördelar med metoderna eftersom vissa lantbrukare väljer att använda dem istället för plöjning. Även för miljön kan mildare jordbearbetning få positiva effekter eftersom till exempel erosionen kan minska, och det går åt mindre maskinbränsle. Dock får dessa fördelar vägas mot nackdelarna av ett ökat behov av bekämpningsmedel.

• author: Hydbom, Sofia
• supervisor: Pål Axel Olsson; Maria Ernfors; Erik Steen Jensen
• opponent: Prof. Dr. Jörgensen, Rainer Georg, Department of Soil Biology and Plant Nutrition, University of Kassel, Germany
• organization: Biodiversity; Centre for Environmental and Climate Science (CEC); BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2017-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Sciences
• keywords: Tillage, Agriculture, Long-term field experiment, Microorganism, Clayey soil, Soil organic carbon, Farmer, Sweden
• pages: 140 pages
• defense location: Lecture hall “Blå hallen”, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2017-12-08 09:00:00
• ISBN: 978-91-7753-457-0
• ISBN: 978-91-7753-458-7
• project: Reduced tillage effects on soil microorganisms and soil quality
• language: English
• LU publication?: yes
• id: eddaddba-faee-4761-ad5e-b1916ad68e70
• date added to LUP: 2017-11-09 13:58:50
• date last changed: 2019-05-09 10:20:37