Evaluating the effectiveness of catch crops and tillage systems for carbon farming

Abstract

In modern agriculture, it is necessary to identify strategic steps that will reduce greenhouse gas emissions: on the one hand, reducing emissions by cutting down fuel consumption, reducing soil interference, limiting nitrogen losses when using fertilisers, and on the other hand – increasing the efficiency of carbon extraction from the atmosphere through plant photosynthesis and sequestration as organic matter of the soil. The purpose of this study is to figure out the influence on the carbon balance of such elements of the agricultural system as the system of tillage and the use of intermediate cover crops in a model 4-field crop rotation in the Steppe zone of Ukraine. This work was performed using the method of empirical calculations based on the online calculator of greenhouse gas emissions Cool Farm Tool. The influence of intermediate crops in two fields of crop rotation (after the early grain predecessors – wheat and winter barley) and tillage systems (traditional, reduced, and no-till) on the balance of carbon emissions and sequestration in the model 4-field crop rotation was analysed. According to the results, it was found that during the model 4-field crop rotation under the conditions of the classical system of tillage for sunflower and maize without intermediate crops and reduced processing for wheat and barley, the total greenhouse gas emissions amount to 4015 kg/ha of CO2-eq. in 4 years. Switching to a reduced tillage system has been shown to reduce emissions by 30.1%. The addition of two intermediate crops in two crop rotation fields before spring crops allows obtaining a negative balance of greenhouse gas emissions of -377 kg/ha of CO2-eq. during this period, and when switching to no-till for all crops -1221 kg/ha of CO2-eq. for a 4-year rotation period. This study will help identify strategic steps and their potential contribution to the development and implementation of agricultural systems with minimal greenhouse gas emissions.

В сучасному землеробстві необхідно визначити стратегічні кроки, що дозволять скоротити викиди парникових газів: з одного боку, скорочення викидів через зменшення витрат палива, зменшення втручання в ґрунт, обмеження втрат азоту при використанні добрив, а з іншого – підвищення ефективності вилучення вуглецю з атмосфери через фотосинтез рослин і секвестрацію його у вигляді органічної речовини ґрунту. Метою дослідження є визначення рівня впливу на баланс вуглецю таких елементів системи землеробства як система обробітку ґрунту і використання проміжних покривних культур у модельній 4-пільній польовій сівозміні в степовій зоні України. Дана робота була виконана за методикою емпіричних розрахунків на основі онлайн калькулятора викидів парникових газів Cool Farm Tool. Було проаналізовано вплив проміжних культур у двох полях сівозміни (після ранніх зернових попередників – пшениці і ячменю озимих) і систем обробітку ґрунту (традиційний, скорочений і no-till) на баланс викидів і секвестрації вуглецю в модельній 4-пільній польовій сівозміні. За результатами досліджень було встановлено, що за ротацію модельної 4-пільної сівозміни за умов класичної системи обробітку ґрунту для соняшнику і кукурудзи без проміжних культур і скороченої обробки для пшениці і ячменю, сумарні викиди парникових газів становлять 4015 кг/га СО2-екв. за 4 роки. Було доведено, що перехід на систему скороченої обробки ґрунту зменшує викиди на 30.1%. Додавання двох проміжних культур у двох полях сівозміни перед ярими культурами дозволяє отримати за цей період від'ємний баланс викидів парникових газів -377 кг/га СО2-екв., а при переході на no-till для всіх культур -1221 кг/га СО2-екв. за 4 річній період ротації. Ця робота допоможе визначити стратегічні кроки та їхній потенційний внесок при розробці і впровадженні систем землеробства з мінімальними викидами парникових газів.