Giulia Bongiorno1

Het meten en monitoren van de status en de veranderingen in de bodemeigenschappen kan het effect van landbouwbeheer op de bodemkwaliteit aangeven, gedefinieerd als het vermogen van een bodem om meerdere functies te vervullen. Met de vooruitgang in kennis en technologische ontwikkelingen op het gebied van bodembiologie en organische stof in de bodem, opent de vloer zich voor het gebruik van nieuwe biologische bodemkwaliteitsindicatoren. Mijn proefschrift is ingegeven door de noodzaak om de geschiktheid van nieuwe indicatoren te beoordelen om de impact van landbouwkundig bodembeheer op de bodemkwaliteit beter te begrijpen in de zoektocht naar duurzame beheerspraktijken.

Hoofdstuk 1 geeft een inleiding over de multifunctionaliteit van de bodem, het bodemkwaliteitsconcept en de bodemkwaliteitsindicatoren. Daarnaast introduceer ik de nieuwe indicatoren die ik in mijn proefschrift heb geselecteerd voor onderzoek: labiele koolstoffracties, onderdrukking van bodemziekten, bodemlevende nematodegemeenschappen en microbiële katabole profielen. Ik benadruk hun relevantie voor bodemkwaliteitsbeoordelingen door te verwijzen naar de brede literatuur over het onderwerp, en door hun conceptuele link met meerdere bodemprocessen te tonen. Deze selectie was gebaseerd op de resultaten van hoofdstuk 2 (Bünemann et al., 2018), een kritisch overzicht van het bodemkwaliteitsconcept, waaraan ik vooral met een overzicht van nieuwe bodemkwaliteitsindicatoren heb bijgedragen.

In de volgende experimentele hoofdstukken (3,4,5 en 6; Bongiorno et al., 2019b, c, a; Bongiorno et al., ingediend) zijn deze bodemparameters gescreend op hun geschiktheid als nieuwe bodemkwaliteitsindicatoren. Dit is gedaan door hun gevoeligheid voor grondbewerking (conventioneel versus gereduceerd) en toevoeging van organische stof (laag versus hoog) te beoordelen in tien Europese langlopende veldproeven en door deze te koppelen aan een reeks traditioneel gemeten bodemkwaliteitsindicatoren, geselecteerd voor hun associatie met bodemprocessen als minimale dataset (MDS) in het Horizon 2020 project iSQAPER (interactieve Bodemkwaliteitsevaluatie in Europa en China voor Productiviteit en Veerkracht in het Milieu).

In hoofdstuk 3 werden vijf verschillende labiele koolstoffracties gemeten: hydrofiele opgeloste organische koolstof (Hy-DOC), opgeloste organische koolstof (DOC), permanganaat-oxiderende koolstof (POXC), warmwater-extraheerbare koolstof (HWEC), en fijnstofkoolstofkoolstof (POMC), hier geordend van het kleinste tot het grootste deel van de totale organische koolstof (Bongiorno et al., 2019b). De labiele fracties werden verhoogd door minder grondbewerking en een hoge toevoeging van organische stof, zelfs meer dan de totale organische koolstof. Met name POXC bleek een van de meest gevoelige fracties te zijn, samen met POMC en HWEC, en gekoppeld aan verschillende bestaande chemische, fysische en biologische bodemkwaliteitsindicatoren. Deze resultaten toonden aan dat POXC, meer dan andere fracties, de potentie heeft om een snelle, goedkope en zinvolle indicator van de bodemkwaliteit te zijn, die toepasbaar is in het bodembeheer.

Hoofdstuk 4 richt zich op het beoordelen van het bodemziekte-onderdrukkend vermogen van de beheersystemen met een bioassay met behulp van Cress-Pythium als model-pathosysteem, en op het verhelderen van de mechanistische relatie tussen labiele koolstof en bodemonderdrukkendheid (Bongiorno et al., 2019c). Over het geheel genomen heeft een verminderde grondbewerking geleid tot een toename van de onderdrukking van bodemziekten, maar de toevoeging van organische stof heeft geen effect gehad. Microbiële biomassakoolstof was de bodemparameter die de variatie in de onderdrukking van bodemziekten het meest verklaarde, terwijl de labiele koolstof een indirect effect had op de onderdrukking van bodemziekten door een positief effect op microbiële biomassa.

In hoofdstuk 5 heb ik met behulp van sequencemethoden de bodemlevende nematodegemeenschappen beoordeeld, waarbij ik met Qpcr informatie heb verkregen over de alfa- en bèta-diversiteit en de totale aaltjesdichtheid (Bongiorno et al., 2019a). Ook werden voedergroepen relatieve en totale abundanties en voedselweb bodemkwaliteitsindices berekend. Verminderde grondbewerking verhoogde de rijkdom en diversiteit van de nematoden, veroorzaakte een verschuiving in de structuur van de gemeenschap, en verhoogde de rijpheid, stabiliteit en het schimmelafbraakkanaal van het voedselweb. Toevoeging van organische stof had een zwakker effect op nematodengemeenschappen dan grondbewerking en creëerde een gunstiger klimaat voor bacteriele nematoden. Nematodengemeenschappen waren nauw verbonden met labiele organische koolstoffracties, beschikbare K, en microbiële parameters (microbiële biomassakoolstof en bodemademhaling).

In hoofdstuk 6 werd het MicroRespTM -systeem gebruikt om microbiële katabole profielen te meten als reactie op het toevoegen van koolstofsubstraten van verschillende complexiteit aan de bodem (Bongiorno et al., ingediend). De katabole profielen werden uitgedrukt in absolute en relatieve bezettingsgraad en de Shannon microbiële functionele diversiteitsindex (H‘) werd berekend. Toevoeging van organische stof en minder grondbewerking verhoogden de bezettingsgraad van alle koolstofsubstraten, maar alleen een verminderde grondbewerking verhoogde de microbiële functionele diversiteit. Bij conventionele grondbewerking werd een hoger proportioneel gebruik van alfa-ketoglutaarzuur gevonden, wat wijst op een belangrijkere rol van organische zuren in meer intensieve systemen. Een belangrijke directe positieve rol van labiele koolstof in het ondersteunen van de microbiële functionele diversiteit werd gevonden, wat wijst op het belang van de beschikbaarheid van koolstof voor het ondersteunen van de microbiële functionaliteit.

Tenslotte heb ik in hoofdstuk 7 de resultaten van de vier experimentele hoofdstukken 3, 4, 5 en 6 samengebracht (Bongiorno et al., in voorbereiding). POXC, en in mindere mate de andere labiele koolstoffracties, bleek de meest gevoelige indicator te zijn voor de effecten van grondbewerking en toevoeging van organische stof. Vanwege het sterke verband met andere bodemkwaliteitsparameters, waaronder de onderdrukking van bodemziekten, nematodengemeenschappen en functionele diversiteit van micro-organismen, hebben we de rol van POXC (een proxy voor labiele koolstof) in het ondersteunen van meerdere ecosysteemdiensten gemodelleerd door middel van Structural Equation Modelling (SEM). POXC bleek een centrale rol te spelen in nutriëntencyclus, koolstofvastlegging, behoud van biodiversiteit, erosiecontrole en ziekte-regulatie/onderdrukking. Naast dit synergetische effect tussen ecosysteemdiensten, bleek labiele organische koolstof een indirect negatief verband te hebben met de productiviteit door middel van bodemademhaling. Dit resultaat toont een afweging tussen functies die de landbouwproductiviteit in stand houden en de veerkracht van het milieu.

De nieuwe bodemkwaliteitsindicatoren waren niet overbodig en gaven andere en relevante informatie over de impact van grondbewerking en organische stofinput op bodemprocessen. Met name POXC heeft een groot potentieel als snelle, goedkope en multifunctionele bodemkwaliteitsindicator.

Minder grondbewerking heeft de beschikbaarheid van koolstof, de onderdrukking van ziekten, de rijkdom en diversiteit van aaltjes, de stabiliteit en de rijpheid van het voedselweb, en de microbiële activiteit en functionele diversiteit duidelijk doen toenemen. De toevoeging van organische stof heeft een zwakkere rol gespeeld bij het handhaven van de bodemkwaliteit, mogelijk als gevolg van de verschillende samenstellingen van de organische stofinputs in de verschillende langlopende veldproeven.

Toekomstige studies zouden zich moeten richten op het begrijpen welke delen van de totale koolstof worden beoordeeld met de verschillende labiele fracties, in het bijzonder POXC, om zo beter een verband te leggen met bodemprocessen. Bovendien zullen de meetmethodes van de nieuwe indicatoren die in mijn proefschrift worden voorgesteld, moeten worden verbeterd en gevalideerd om hun bruikbaarheid bij de beoordeling van de bodemkwaliteit voor landbouwbeheer te vergroten.