Regno Unito: rese dei raccolti e cambiamenti del suolo negli ultimi 50 anni
L'interessante ricerca, frutto di un esperimento a lungo termine, nell’az.
sperimentale Broadbalk a Rothamsted (Inghilterra) ha messo a confronto la fertilizzazione del grano con
concimi chimici e organici. I risultati mostrano che è possibile mantenere o aumentare la resa del grano,
impiegando fertilizzanti organici o letame, abbinati a rotazioni e cambiamenti nella gestione aziendale
per garantire il controllo dell’acidità del suolo, delle erbe infestanti e delle malattie.
Gli esperimenti a lungo termine (LTE) sono una fonte vitale di informazioni che contribuiscono alla comprensione e alla valutazione della sostenibilità dei sistemi agricoli. Il Broadbalk Wheat Experiment presso Rothamsted Research, nel Regno Unito, avviato nel 1843, è il più antico LTE continuativo al mondo. Nel 1968 e successivamente furono apportate importanti modifiche all'esperimento. Queste includevano l’introduzione di varietà di grano invernale a paglia corta, la coltivazione del grano in rotazione con altre colture, per il confronto con il grano continuo (monocoltura) e la sperimentazione di tassi più elevati di fertilizzante N (fino a 288 kg N ha −1 ). Altri cambiamenti includevano l'uso di erbicidi e altri prodotti chimici per l'agricoltura, tranne che in sezioni selezionate. La calcinazione regolare ha continuato a mantenere il pH del terreno. Questo documento riporta le rese dei raccolti e i cambiamenti del suolo dal 1968 e riassume altri studi tra cui l'incidenza di erbe infestanti, parassiti e malattie delle colture, effetti dei trattamenti sul movimento di nitrati e fosfati nelle acque di drenaggio, flussi di gas serra, misurazioni degli input di N e S dall'atmosfera e molti altri fattori.
Il passaggio alle varietà a paglia corta ha portato ad un raddoppio della resa dei cereali. Negli ultimi anni con cv. Le rese Crusoe del primo grano dopo una pausa di 2 anni in una rotazione erano > 3 t ha -1 maggiori rispetto al grano continuo, principalmente a causa della ridotta incidenza di parassiti e malattie trasmesse dal suolo. In media, le rese del grano continuo tendevano ad aumentare a tassi di N fino a 240 o 288 kg N ha −1 mentre il primo grano, dopo una pausa di 2 anni, spesso necessitava di meno N per raggiungere la resa massima. I migliori rendimenti ora superano le 12 t ha −1 in alcuni anni.
introduzione
Gli esperimenti a lungo termine (LTE) sono uno strumento vitale per studiare gli impatti delle pratiche di gestione agricola sulla produzione agricola, sulle proprietà del suolo e sulle interazioni tra l’agricoltura e l’ambiente in generale. Di conseguenza, gli LTE possono contribuire alla comprensione della sostenibilità dei diversi sistemi agricoli. Il Broadbalk Wheat Experiment, iniziato nell’autunno del 1843, è l’LTE più longevo a livello globale e un ottimo esempio di esperimento agricolo a lungo termine che combina continuità e adattamento per affrontare questioni pratiche o scientifiche emergenti. Se l’esperimento è ancora rilevante per la scienza agraria 180 anni dopo è perché i cambiamenti nella sua gestione sono stati apportati solo dopo un’attenta considerazione e solo quando necessario per garantirne la continuazione o per affrontare nuove questioni scientifiche. Man mano che gli effetti del cambiamento climatico globale diventano sempre più evidenti (IPCC, 2023), gli LTE diventano sempre più importanti. Con la previsione che la popolazione globale raggiungerà quasi i 10 miliardi entro il 2050 ( www.un.org/en/global-issues/population ), abbiamo bisogno degli LTE per aiutare a valutare la sostenibilità dei diversi sistemi agricoli se vogliamo mantenere, o aumentare, la produzione alimentare. produzione. È importante sottolineare che dobbiamo sapere quali effetti questi sistemi potrebbero avere sull’ambiente in generale e in che modo l’ambiente li influenza. Il valore di questi esperimenti è stato discusso in numerosi articoli tra cui Brown (1991), Leigh e Johnston (1994), Johnston e Powlson (1994), Powlson e Johnston (1994), Powlson et al. (2013), Körschens (2021), Ostler et al. (2023). Nonostante i loro numerosi vantaggi unici, gli LTE presentano limitazioni che devono essere riconosciute; molti di questi sono discussi qui nel contesto del Broadbalk Wheat Experiment. Loro includono:
Dimensioni della trama. Ciò può portare a “effetti limite” come discusso più avanti. Inoltre, negli esperimenti su appezzamento con diversi trattamenti non è possibile tenere conto dei processi che si verificano su scala paesaggistica come l’erosione del suolo o la diffusione laterale di parassiti e malattie o di insetti utili.La sostenibilità dei sistemi agricoli dipende fortemente dall’economia e dal comportamento degli agricoltori influenzato da fattori locali, sociali o infrastrutturali. Questi generalmente non sono suscettibili di studio all'interno di un LTE, sebbene i dati sugli input e sui rendimenti possano essere inseriti nelle analisi economiche (Barnett et al., 1995).Broadbalk fu seminato per la prima volta con un raccolto sperimentale di grano invernale ( Triticum aestivum ) nell'autunno del 1843 e da allora il grano è stato coltivato in tutto, o in parte, ogni anno. È stato il secondo esperimento sul campo su larga scala condotto da John Bennet Lawes a Rothamsted. Il primo, Barnfield, su colture a radice, fu iniziato pochi mesi prima (Lawes, 1847), ma è stato utilizzato su erba fin dagli anni '70. Broadbalk è quindi il più antico esperimento sul campo al mondo che, sebbene modificato nel corso degli anni, è continuato più o meno nella stessa forma. Negli anni successivi, Lawes, insieme a Joseph Henry Gilbert, un chimico esperto, che si unì a Lawes nel giugno 1843, condusse altri esperimenti su cereali, legumi e pascolo permanente, che alla fine divennero a lungo termine. Molti continuano ancora e sono conosciuti collettivamente come Rothamsted Classical Experiments (Macdonald et al., 2018). Fanno parte di quella che ora è la Rothamsted Long-term Experiments National Bioscience Research Infrastructure (RLTE-NBRI) presso Rothamsted Research.Altri LTE furono avviati a Woburn, Bedfordshire, nel 1876 (Voelcker, 1897) con la consulenza di Lawes e Gilbert, e a Saxmundham, Suffolk, nel 1899 (Cooke, 1975), entrambi nel Regno Unito. Altri, in tutto il mondo, includono Sanborn negli Stati Uniti nel 1888 (Miles e Brown, 2011), Bad Lauchstaedt in Germania nel 1902 (Körschens, 2021) e Askov in Danimarca nel 1894 (Christensen et al. (2006). , e molti altri sono una risorsa straordinariamente preziosa che può e deve essere utilizzata il più possibile. Collaborare con scienziati che gestiscono altri LTE in reti come SOMNET (Smith et al., 1997) o Global Long-term Agricultural Experiments Network, GLTEN , ( https://glten.org/ ) aiuta a migliorare il valore degli LTE partecipanti.Lawes e Gilbert descrissero il campo di Broadbalk come “un terreno di grano mediocre”. e il terreno come "un terriccio piuttosto pesante, con un sottosuolo di argilla rossa giallastra, ma che poggia a sua volta su gesso, che fornisce un buon drenaggio naturale" (Lawes e Gilbert, 1864). Il loro scopo nell'impostare l'esperimento era rispondere a diverse domande importanti, tra cui:
Qual era il potenziale di rendimento del grano di tale terra?
Quanto tempo potrebbe durare quel potenziale.
Quali componenti del suolo mostrerebbero presto segni di esaurimento.
In che misura i risultati sarebbero applicabili ad altri terreni coltivabili nel Regno Unito?
Le domande che pongono indicano che Lawes e Gilbert erano in sintonia con il concetto di sostenibilità molto prima che diventasse un tema dominante nell’agricoltura e nelle scienze ambientali. Per rispondere a queste domande, hanno testato varie combinazioni dei principali nutrienti presenti nei chicchi di grano e nella paglia, tra cui azoto (N) potassio (K), fosforo (P), magnesio (Mg), sodio (Na) e silice (Si). L'azoto è stato applicato in varie forme inorganiche e nel letame (FYM) o nel panello di colza (Rothamsted Research, 2018). Decisero inoltre di coltivare il grano su Broadbalk come monocoltura, anche se all’epoca ciò era insolito, poiché pensavano che ciò avrebbe semplificato l’interpretazione dei dati e li avrebbe aiutati a comprendere meglio quali fossero i principali fabbisogni nutritivi del grano.
Il grano invernale era una coltura importante in Inghilterra nel 19° secolo ed è il cereale più coltivato nel 21° secolo con più del 50% della superficie arabile in Inghilterra coltivata a grano invernale ( www.gov.uk ). A livello mondiale, il grano rappresenta ca. 28% della produzione totale di cereali ( www.fao.org ).
Il fatto che Broadbalk sia ancora rilevante per la pratica agricola moderna, per gli studi ambientali, per gli scienziati che desiderano modellare gli effetti della gestione a lungo termine, ad esempio, sulla materia organica del suolo (SOM) e per coloro che cercano di valutare i potenziali effetti del cambiamento globale sulla la sostenibilità dei sistemi agricoli, testimonia la sorprendente lungimiranza di Lawes e Gilbert che fondarono e mantennero Broadbalk e altri esperimenti a lungo termine a metà del XIX secolo. Infatti, la conferenza tenuta nel 1993 per celebrare il 150° anniversario dell’inizio dell’esperimento Broadbalk era intitolata Insight from Foresight (Leigh e Johnston, 1994). Il merito va anche alle generazioni successive di scienziati di Rothamsted che, con il supporto del Lawes Agricultural Trust (LAT) e del Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) del Regno Unito, hanno continuato gli esperimenti molto tempo dopo le domande iniziali che si ponevano. impostato per l'indirizzo è stata data risposta. Gli esperimenti rappresentano una preziosa risorsa scientifica, ma altrettanto notevole è l'archivio di campioni di colture e suolo di Rothamsted che risale al 1840. Include anche campioni di input inorganici e organici. Questa risorsa unica ci offre una finestra indietro nel tempo, fornendo una documentazione dei cambiamenti ambientali e gestionali e permettendoci di analizzare i campioni in modo retrospettivo per diversi aspetti della nutrizione e della patologia delle piante, della fertilità del suolo e dell'inquinamento; molti dei quali non avrebbero potuto essere immaginati 180 anni fa. Altrettanto importante è stato lo sforzo compiuto negli ultimi 30 e più anni per inserire le informazioni e i dati accumulati dal 1843 in un database elettronico ( www.era.rothamsted.ac.uk ) e per renderlo accessibile agli scienziati di tutto il mondo come il database elettronico Archivio Rothamsted (e-RA) (Perryman et al., 2018).
Non consideriamo l'esperimento un “pezzo da museo” che non dovrebbe mai essere modificato; anzi, la sua grande forza sta proprio nel fatto che è stata modificata nel corso degli anni. Sono stati necessari alcuni cambiamenti per garantirne la continuazione, ad esempio il maggese e/o l'uso di erbicidi per controllare le erbe infestanti o la calcinazione per evitare che il terreno di alcuni trattamenti diventi troppo acido per il grano invernale. Altri sono stati fatti per garantirne la rilevanza, ad esempio, cultivar moderne, tassi di N più elevati, l'uso di pesticidi e l'introduzione di rotazioni colturali per il confronto con il grano nelle monocolture. Broadbalk si è evoluto nel corso degli anni per affrontare problemi emergenti o per rispondere a nuove domande scientifiche; la sfida è sempre stata quella di apportare modifiche senza compromettere l’integrità a lungo termine dell’esperimento e dei dati da esso generati.
Una revisione completa dell'esperimento fu pubblicata nel 1969 (Rothamsted Experimental Station, 1969); alcuni dettagli e molti collegamenti a quella recensione (tutti disponibili in formato elettronico) sono forniti qui. In questo articolo descriviamo i principali cambiamenti introdotti alla fine degli anni ’60 e le modifiche apportate da allora. L'effetto di questi cambiamenti sulle rese dei raccolti, sull'assorbimento dei nutrienti e su vari parametri del suolo viene discusso e messo in relazione ai primi anni dell'esperimento. Forniamo anche esempi di come i campioni di colture e terreno e i dati dell'esperimento sono stati utilizzati negli ultimi 50 e più anni per indagare su specifici punti di interesse. Il nostro scopo è quello di evidenziare la portata e il valore dei dati e la loro disponibilità ad altri scienziati, in particolare ai modellisti e a coloro che esaminano la sostenibilità a lungo termine dei sistemi di coltivazione e i potenziali effetti del cambiamento globale. Questi dati sono disponibili attraverso il database e-RA ( www.era.rothamsted.ac.uk ).
Sfondo storico
Il contesto storico in cui Lawes e Gilbert stabilirono i loro esperimenti pionieristici fu considerato da Johnston e Garner (1969). Nella prima metà del XIX secolo l’uso di fertilizzanti inorganici non era diffuso e l’industria dei fertilizzanti era agli albori. Lawes aveva condotto prove sul campo in vaso e su piccola scala negli anni '30 e '40 dell'Ottocento sul valore di diversi fertilizzanti inorganici (ad esempio, Lawes, 1842) e nel 1842 brevettò con successo un processo industriale per la produzione di fertilizzanti.
Layout dell'esperimento, trattamenti e gestione
Salvo diversa indicazione, l'anno indicato è l'anno del raccolto; cioè l'anno successivo alla semina del frumento seminato in autunno.
I dettagli della struttura iniziale dell'esperimento sono forniti da Johnston e Garner (1969). Negli anni Quaranta dell'Ottocento, i campi arabili a Rothamsted venivano coltivati secondo il sistema "cresta e solco". Ogni anno su Broadbalk, e sempre nella stessa posizione, venivano arate strisce lunghe e strette che correvano per tutta la lunghezza del campo per creare una cresta al centro e lasciare un solco sul bordo esterno. Lawes
Il grano produce
Lawes (1847) descrisse il suolo di Broadbalk come “un terreno piuttosto pesante che poggia su gesso, capace di produrre buon grano se ben concimato”. Su terreni simili nelle vicinanze, il grano coltivato in una rotazione colturale, in genere produceva ca. 1,2 t ha −1 . La Fig. 5 mostra i rendimenti di trattamenti selezionati per il periodo 1852–2018. I cambiamenti riflettono il miglioramento delle cultivar, della gestione e del controllo di parassiti, malattie ed erbe infestanti che sono stati introdotti a Broadbalk nel corso degli anni come nelle fattorie inglesi in generale.
Una veduta aerea presa
Archivio campioni di Rothamsted
L'Archivio Campione di Rothamsted (Fig. 23) è unico. Comprende oltre 300.000 campioni di cereali essiccati, paglia, erbe aromatiche, terreno, fertilizzanti e letame. Da Broadbalk ci sono campioni non macinati di grano e paglia provenienti da ogni anno a partire dal primo raccolto nel 1844. Dal 1968 (quando Broadbalk fu divisa in 188 appezzamenti) sono stati conservati campioni non macinati dal grano continuo nella Sezione 1, dal primo grano in rotazione e da altre colture coltivate in rotazione, vale a dire fagioli, patate, avena e mais.
Broadbalk come risorsa scientifica
Esperimenti a lungo termine come Broadbalk sono una risorsa su cui è possibile effettuare altri studi, spesso a breve termine. In effetti, per garantire la continuità dei finanziamenti, è spesso essenziale che le nuove idee vengano testate e che vengano effettuate misurazioni aggiuntive, a volte comportando piccole modifiche ai trattamenti purché compatibili con l’integrità a lungo termine dell’esperimento. Tali studi possono portare alla pubblicazione di articoli in un tempo relativamente breve e sono importanti per dimostrare il valore continuo di un LTE.
Il futuro
Qualsiasi discussione sul valore dell’esperimento sul grano Broadbalk nei prossimi anni deve includere il cambiamento climatico. Sebbene 195 paesi abbiano raggiunto un accordo per limitare l’aumento della temperatura globale a 1,5 °C (IPCC, 2023), sembra certo che le concentrazioni di CO 2 e di altri importanti gas serra continueranno ad aumentare per alcuni decenni, con la probabilità che l’obiettivo della temperatura venga raggiunto. essere superato. Questa tendenza ha gravi implicazioni per il clima globale, i modelli meteorologici regionali e la sicurezza alimentare. In
Conclusioni
L'esperimento Broadbalk mostra che è possibile mantenere o aumentare la resa del grano per moltissimi anni sia con fertilizzanti inorganici che con letame organico. Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo, sono stati necessari cambiamenti nella gestione per garantire che l’acidità del suolo, le erbe infestanti e le malattie non compromettano l’esperimento. L'introduzione di una cultivar a paglia corta nel 1968 portò a immediati grandi aumenti nella resa del grano. Coltivare quella cultivar come primo raccolto dopo una pausa di 2 anni, minimizzando così gli effetti
