Abstract
In the past centuries, substantial portions of Europe's peatlands have been drained for agricultural use. Among various consequences, this results in peat decomposition, soil subsidence, and the release of CO2 and N2O emissions. Soil subsidence can lead to flooding or dry patches, risking crop failure and complicating cultivation. To address this, farmers invest in drainage systems and add mineral soil layers on top of the organic soils. This proactive approach should prevent oxidative degradation and root space reduction. An alternative solution is the cultivation of rice, a plant that tolerates periodic flooding. Due to the high CH4 emissions from rice cultivation, it is necessary to initially compare the global warming potential of conventionally drained grass cultivation with that of rice cultivation on peat soils. For this purpose, CH4 and N2O emissions from the following organic soil managements were analysed:
Included were rice cultivation under flooded conditions with midseason drainage on a purely organic soil (treatment RPF), on an organic soil with an additional 30 cm thick mineral soil cover (treatment RCF), and grass grown on a 1 m deep drained organic soil as a reference (treatment GPD). Greenhouse gas balances of GPD were compared with rice cultivation and between RPF and RCF to assess the efficacy of a mineral soil cover for emission reduction. A gas chamber was used to measure the emissions from four plots (0.72 m2) of the same treatment. The measurements were taken two to three times a week during the vegetation period and took place in a mesocosm experiment outside the research institute Agroscope in Zurich. Soil moisture, soil temperature and redox potentials were recorded and rootstocks as well as algae populations in rice plots were documented.
Although the flooded rice cultivation increased CH4 emissions (MRPF=4916; MRCF=3642 mg CH4 m-2/162d) from organic soils, it led to low N2O emissions (MRPF=72; MRCF=71 mg N2O m-2/162d). Overall, there is a similar global warming potential for grass cultivation (MGPD=0.127; MRPF=0.157; MRCF=0.121 kg CO2-eq./162d), which has low CH4 (MGPD= -57 mg CH4 m-2/162d) and high N2O emissions (MGPD=472 mg N2O m-2/162d). A midseason drainage, especially in combination with a mineral soil cover, reduces CH4 emissions from rice cultivation. The mineral soil structure leads to a lower volumetric soil water content and thus reduces emissions without causing yield losses. Increased soil temperature is a secondary factor for higher CH4 emissions. In order to reduce N2O emissions, fertilisation and drainage must be adapted. The mineral soil cover can also have a mitigating effect here, although its effect is overlaid by the increased water table. Wet rice cultivation can thus minimise global warming of the agricultural use of organic soils. Flooding the fields reduces peat decomposition and CO2 emissions, while the greenhouse gas balance from N2O and CH4 remains comparable to the drained grass cultivation. Adding a mineral soil cover further reduces emissions, making it a recommended practice on organic soils in the temperate zone.
Zusammenfassung
In den letzten Jahrhunderten wurden grosse Teile der europäischen Moorböden für landwirtschaftliche Zwecke entwässert. Dies führt unter anderem zur Zersetzung von Torf, Bodenabsackung sowie zu Emissionen von CO2 und N2O. Die Bodenabsenkung kann punktuelle Überschwemmungen oder lokal trockene Stellen auf den Feldern nach sich ziehen, was nicht nur Ernteausfälle sondern auch eine erschwerte Bewirtschaftung der Felder zur Folge hat. Als Reaktion auf diese Herausforderungen investieren Landwirtschaftsbetriebe vermehrt in Drainagesysteme und bedecken organische Böden mit mineralischen Bodenschichten, da sonst der oxidative Abbau letztendlich zur Schwindung des Wurzelraums im Boden führt. Eine alternative Lösung stellt der Anbau von Nassreis, einer Pflanze, die periodische Überschwemmungen toleriert, dar.
Um eine Aussage zu machen, dass damit auch die Klimaziele nähergebracht werden können, sollte vorab die Treibhausgasbilanz dieses Reisanbaus, mit jener des konventionell drainierten Grasanbaus auf organischen Böden, verglichen werden. Dazu wurden in dieser Masterarbeit die CH4- und N2O-Emissionen von drei verschiedenen Bewirtschaftungsarten organischer Böden analysiert. Diese umfassten den Reisanbau unter überfluteten Bedingungen mit zwischensaisonaler Drainage auf einem rein organischen Boden (Behandlung RPF), sowie auf einem organischen Boden mit einer zusätzlichen 30 cm dicken Mineralbodenüberschüttung (Behandlung RCF). Zeitgleich wurde Gras auf einem 1 m tief entwässerten, organischen Boden als
Referenzbehandlung angebaut (Behandlung GPD). Die Treibhausgasbilanz von GPD wurde mit der des Reisanbaus und zwischen RPF und RCF verglichen, um eine Mineralbodenüberschüttung als Massnahme zur Emissionsminderung zu bewerten.
Zwei- bis dreimal wöchentlich wurden in einem Mesokosmos im Freien, an der Agroscope in Zürich, die Emissionen von vier Bodenparzellen (0.72 m2) desselben Treatments während der Vegetationszeit gemessen. Zusätzlich wurden die volumetrischen Wassergehalte, Temperaturen und Redoxpotenziale der Böden erfasst, sowie Wurzelstöcke und Algenbestände dokumentiert.
Der überflutete Reisanbau erzielte ein ähnliches Treibhausgaspotenzial wie die Grasbewirtschaftung (MGPD=0.127; MRPF=0.157; MRCF=0.121 kg CO2eq./162d). Der Reisanbau führte zu hohen CH4- (MRPF=4916; MRCF=3642 mg CH4 m-2/162d) und tiefen N2O-Emissionen (MRPF=72; MRCF=71 mg N2O m-2/162d). Die Grasbewirtschaftung führte hingegen zu niedrigen CH4-Emissionen (MGPD= -57 mg CH4 m-2) und hohen N2O-Emissionen (MGPD=472 mg N2O m-2). Eine zwischensaisonale Drainage, insbesondere zusammen mit einer Mineralbodenüberschüttung, reduzierte die CH4-Emissionen des Reisanbaus, indem sie den volumetrischen Bodenwassergehalt reduzierte. Eine erhöhte Bodentemperatur und oberirdisch gelegene Wurzelstöcke waren dabei sekundäre Faktoren für höhere CH4-Emissionen. Um die N2O-Emissionen zu senken, müssen Düngemengen und -zeitpunkte an die Pflanzenbedürfnisse angepasst werden und Drainagen stufenweise erfolgen. Auch hier kann eine Mineralbodenüberschüttung mindernd wirken, wobei ihr Effekt vom erhöhten Wasserspiegel überlagert wird. Die Überflutung der Felder reduziert den Torfabbau und die CO2-Emissionen, währenddem die Treibhausgasbilanz aus N2O und CH4 vergleichbar mit der des drainierten Grasanbaus bleibt. Die RCF-Bewirtschaftung auf organischen Böden der gemässigten Klimazone wird empfohlen. Sie stellen eine mögliche Lösung für die schwierige Bewirtschaftung dieser Böden dar, reduzieren zudem die Emissionen, wie auch die Klimaauswirkungen der landwirtschaftlichen Nutzung und dies bei gleichbleibenden Erträgen.
Tamagni, Lisa