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Plastic mulching in agriculture – Impacts on soil properties and processes and the consequences for soil quality

  • Agriculture requires a sustainable intensification to feed the growing world population without exacer-bating soil degradation and threatening soil quality. Globally, plastic mulching (PM) is increasingly used to improve crop growth and yields and consequently agronomic productivity. However, recent literature reported also critical aspects of PM for soil quality and showed contradictory outcomes. This might result from the numerous applications of PM in different climates across various crops, soils and agri-cultural techniques. Thus, a closer look is necessary on how PM influences soil processes under certain climate and cultivation conditions to obtain a comprehensive understanding of its effects, which is im-portant to evaluate PM in terms of a sustainable agriculture. The aim of this PhD thesis was to understand how multiannual PM influences soil properties and pro-cesses under the temperate, humid Central European cultivation conditions and to evaluate the resulting consequences for soil quality. I designed a three-year field study to investigate the influence of PM (black polyethylene, 50 μm) on microclimate, structural stability, soil organic matter (SOM) and the concentrations of selected fungicides and mycotoxins in three soil layers (0–10, 10–30 and 30–60 cm) compared to straw mulching (SM). Both mulching types were applied in a drip-irrigated ridge-furrow system in strawberry cultivation. PM shifted the soil microclimate to higher soil temperatures and lower soil moistures. The higher soil temperature seems thus to be the key factor for the increased crop growth and yields under the present humid climate. The reduced soil moisture under PM indicated that under PM the impeded rainfall infil-tration had a stronger effect on the water balance than the reduced evaporation. This indicate an ineffi-cient rainwater use in contrast to arid climates. PM changed the water cycling in the ridges from down-ward directed water flows to lateral water flows from furrows to ridges. This reduced nitrogen leaching in the topsoil (0–10 cm) in the strawberry establishment period. The plastic mulches avoided aggregate breakdown due to rapid soil wetting and excess water during rainfalls and thus maintained a loose and stable soil structure in the surface soil, which prevents soil compaction and made soil less prone to erosion. PM changed carbon fluxes and transformation so that a larger total and more stable SOM was observed. Thus, the higher belowground biomass productivity under PM compensated the impeded aboveground biomass input and the temperature-induced SOM decomposition. However, SM increased the labile and total SOM in the topsoil after the first experiment year and promoted microbial growth due to the aboveground biomass incorporation. PM reduced fungicide entry into soil compared to SM and reduced consequently the fungal biomass reduction and the biosynthesis of the mycotoxin deoxyni-valenol. The modified microclimate under PM did not increase mycotoxin occurrence. In this context, PM poses no risk for an increased soil contamination, impairing soil quality. This PhD thesis demon-strated that the PM effects on soil can vary depending on time, season and soil depth, which emphasizes the importance to include soil depth and time in future studies. Compared to semiarid and arid regions, the PM effects found in this PhD thesis were small, absent or in another way. I attributed this to the fact that PM under humid climate reduced instead of increased soil moisture and that SM had due to straw und strawberry canopy a similar ‘covering effect’ as PM. Thus, generalizing the PM effects on soil across different climates seems hardly possible as they differ in type and extent depending on climate. A differentiated consideration is hence necessary to evaluate the PM effects on soil quality. I conclude that PM under temperate, humid climate might contribute to reduce soil degradation (e.g., SOM depletion, erosion, nutrient leaching, soil compaction and soil contamina-tion), which sustains soil quality and helps to enable a sustainable agricultural intensification. However, further research is necessary (1) to support my findings on a larger scale, longer time periods and across various soil and crop types, (2) to address remaining open questions and (3) to develop optimization to overcome the critical aspects of PM (e.g. macro- and microplastic waste in soil, mulch disposal).
  • Eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft ist notwendig, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren ohne die Bodenqualität durch verstärkte Bodendegradation zu verschlechtern. Plastikmul-che (PM) werden weltweit zunehmend eingesetzt, um Wachstum und Ertrag von Feldfrüchten zu ver-bessern und somit die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern. Zunehmend finden sich aber auch kritische Aspekte der PM-Anwendung auf die Bodenqualität sowie widersprüchliche Ergebnisse in der wissenschaftlichen Literatur. Grund könnte die Anwendung in verschiedenen Klimaten und bei unter-schiedlichen Feldkulturen, Böden und landwirtschaftlichen Techniken sein. Ein genauerer Blick ist so-mit notwendig, um den PM-Einfluss auf die Bodenprozesse unter verschiedenen Klima- und Anbaube-dingungen umfassend zu verstehen und hinsichtlich einer nachhaltigen Landwirtschaft zu bewerten. Ziel dieser Doktorarbeit war es, zu verstehen, inwieweit eine mehrjährige PM-Anwendung verschiedene Bodeneigenschaften und -prozesse unter gemäßigt, humidem Klima in Mitteleuropa beeinflusst und die Folgen für die Bodenqualität zu bewerten. Hierfür untersuchte ich in einer dreijährigen Feldstudie, wie PM (schwarzes Polyethylen, 50 μm) das Mikroklima, die Strukturstabilität, die organische Bodensub-stanz (OBS) und die Konzentrationen bestimmter Fungizide und Mykotoxine in drei Bodenschichten (0–10, 10–30 and 30–60 cm) im Vergleich zu Strohmulch (SM) beeinflusst. Beide Bodenabdeckungen wurden in einer Dammkultur mit Tröpfchenberegnung im Erdbeeranbau eingesetzt. Die PM veränderten das Mikroklima des Bodens hin zu höheren Temperaturen und niedrigeren Was-sergehalten. Hauptfaktor für das gesteigerte Pflanzenwachstum unter gegebenem Klima dürfte somit die höhere Bodentemperatur sein. Die niedrigere Bodenfeuchte unter PM zeigte, dass die verhinderte Nie-derschlagsversickerung stärker den Wasserhaushalt beeinflusste als die reduzierte Evaporation, was auf eine ineffiziente Niederschlagsnutzung hinweist. Die PM veränderten den Wasserkreislauf hin zu ver-mehrt seitlichen Wasserflüssen von der Furche zum Damm und weniger vertikalen Sickerwasserflüssen im Damm. Letzteres verringerte die Stickstoffauswaschung im Oberboden (0–10 cm) in der Anwachs-phase der Erdbeeren. PM verhinderte eine abrupte Bodendurchnässung und Überschusswasser bei Re-genfällen und somit Aggregatzerstörung. So wurde eine lockere und stabile Bodenstruktur erhalten, die Bodenverdichtung und Bodenerosion vorbeugt. PM veränderte Kohlenstoffaustausch und -umwandlung hin zu einer größeren und stabileren OBS. Somit kompensierte die unterirdische Biomassenproduktion unter PM den temperaturbedingt beschleunigten OBS Abbau sowie den fehlenden Eintrag oberirdischer Biomasse. Das SM erhöhte jedoch die labile und totale OBS im Oberboden nach dem ersten Versuchs-jahr und steigerte das mikrobielle Wachstum durch den oberirdischen Biomasseeintrag. PM verringerte den Fungizideintrag in den Boden und verursachte kein erhöhtes Mykotoxinvorkommen. Somit stellt PM kein erhöhtes Risiko für Bodenkontaminationen und die Bodenqualität dar. Diese Doktorarbeit zeigte, dass sich die PM-Effekte zeitlich, saisonal und zwischen den Bodenschichten unterschieden, womit die Bedeutung der Faktoren Bodentiefen und Zeit für zukünftige Studien belegt wurde. Verglichen mit ariden Gebieten, waren die beobachteten PM-Einflüsse klein, ausgeblieben oder anders. Als Grund hierfür vermute ich, dass PM in humidem Klima die Bodenfeuchte verringerte anstatt zu erhöhen und dass unter SM das Stroh und Blätterwerk einen PM-ähnlichen „Abdeckungseffekt“ verur-sachte. Eine Generalisierung der PM-Effekte über verschiedenen Klimazonen ist somit kaum möglich, da sich die Effekte in Art und Ausmaß in Abhängigkeit vom Klima unterscheiden. Die PM-Effekte auf die Bodenqualität müssen somit differenziert beurteilt werden. Ich schlussfolgere, dass PM in humiden Klimaten Bodendegradationen vermindern könnte (z.B., OBS Abbau, Erosion, Nährstoffauswaschung, Verdichtung und Kontamination) und somit hilft, Bodenqualität zu erhalten und eine nachhaltige, land-wirtschaftliche Intensivierung zu ermöglichen. Allerdings ist weitere Forschung nötig um meine Ergeb-nisse auf größeren Skalen, über längere Zeitperioden und bei verschiedenen Böden und Feldfrüchte zu überprüfen, verbleibende offene Fragen zu beantworten und Verbesserungen zu entwickeln, um die Nachteile der PM zu überwinden (z.B. Bodenverunreinigung mit Plastik, Entsorgung der Mulche).

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Metadaten
Author:Maximilian Meyer
URN:urn:nbn:de:kola-23130
Subtitle (German):Insights gained from a three-year field study in strawberry cultivation
Referee:Gabriele Ellen Schaumann, Katherine Muñoz, Sören Thiele-Bruhn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2022/05/25
Date of publication:2022/05/31
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2022/05/06
Release Date:2022/05/31
Number of pages:XI, 160 Seiten
Comment:
Kumulative Dissertation
Institutes:Fachbereich 7
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG