Produksi biomassa, penekanan gulma, dan penggunaan air tanah pada tanaman penutup tanah dalam sistem produksi gandum lahan kering

Abstrak
Penanaman penutup tanah pada fase bera gandum musim dingin ( Triticum aestivum L.)–sistem bera di Pasifik Barat Laut yang semikering telah diidentifikasi sebagai peluang untuk membangun ketahanan dan meningkatkan keuntungan pertanian. Sembilan tanaman penutup tanah (CC) yang ditanam pada musim gugur dan musim semi yang ditanam selama periode bera tradisional dievaluasi di lokasi-lokasi di zona curah hujan rendah dan menengah di wilayah tersebut dalam studi selama 2 tahun (2021 dan 2022). CC yang ditanam pada musim gugur meliputi kacang polong musim dingin ( Pisum sativum L.), lentil musim dingin ( Lens culinaris Medik.), dan campuran spesies musim gugur; dan CC yang ditanam pada musim semi meliputi vetch biasa, sawi kuning, lacy phacelia, lobak olah tanah ( Raphanus sativus L.), jelai musim semi ( Hordeum vulgare L.), dan campuran spesies musim semi. CC dievaluasi untuk produksi biomassa dan dampaknya terhadap air tanah dan gulma. Pertumbuhan CC bergantung pada lokasi, tahun, waktu tanam, dan spesies CC. CC yang ditanam pada musim gugur umumnya menghasilkan lebih banyak biomassa daripada CC yang ditanam pada musim semi di seluruh tahun-tahun lokasi, dengan kacang polong musim dingin dan campuran spesies musim gugur menjadi yang paling produktif. Setelah satu tahun dengan curah hujan yang lebih besar dari rata-rata, tidak ada efek negatif CC pada kelembaban tanah musim gugur yang diamati di lokasi curah hujan antara, sementara CC yang ditanam pada musim gugur mengurangi kelembaban tanah di lokasi curah hujan rendah. Efek supresif CC pada gulma berkisar dari nol hingga sedang, tergantung pada lokasi, tahun, dan waktu penyemaian CC. CC yang ditanam pada musim gugur lebih konsisten menekan gulma daripada CC yang ditanam pada musim semi. Selain itu, CC yang ditanam pada musim gugur dihentikan pada musim semi sebelum gulma menghasilkan benih yang layak, menghemat aplikasi herbisida dan mengurangi tekanan herbisida tanpa memperburuk masalah gulma di masa mendatang. Secara keseluruhan, CC yang ditanam pada musim gugur tertentu menunjukkan janji untuk meningkatkan layanan ekosistem selama periode bera tradisional.

Singkatan
CC
tanaman penutup
GDD
hari-hari peningkatan derajat
GWC
kadar air gravimetrik
Bahasa Indonesia: PNW
Pasifik Barat Laut
Pesawat VW
kandungan air volumetrik
1. PENDAHULUAN
Sistem tanam yang umum untuk produksi gandum musim dingin ( Triticum aestivum L.) di daerah semikering di daerah kering Pacific Northwest (PNW) adalah rotasi gandum-bera. Daerah ini memiliki iklim Mediterania, yang dicirikan oleh musim panas yang panas dan kering. Dengan curah hujan tahunan kurang dari 420 mm, kelembaban tanah merupakan faktor terbesar yang membatasi hasil dan keuntungan pertanian di lingkungan ini. Dengan demikian, bera dipraktikkan di mana lahan tetap tidak ditanami untuk menghemat air untuk tanaman berikutnya (Granatstein, 1992 ). Pertanian yang umum akan memanen tanaman komersial gandum dari setengah lahan yang mereka kelola, dengan setengah lainnya dalam keadaan bera. Gandum musim dingin di daerah kering PNW ditanami antara pertengahan Agustus dan pertengahan November dan dipanen 8–11 bulan kemudian. Fase bera dari rotasi dimulai setelah panen dan berlangsung selama 13–16 bulan. Lahan bera dijaga bebas gulma dengan herbisida dalam pertanian tanpa olah tanah (bera kimia) dan/atau dengan pengolahan tanah dalam pertanian konvensional (bera konvensional). Meskipun sistem gandum–bera memberikan hasil ekonomi yang lebih besar dan stabilitas hasil daripada sistem tanam tahunan atau intensif (Long et al., 2022 ; Schillinger et al., 2007 ), sistem ini diketahui menyebabkan peningkatan erosi tanah (Sharratt et al., 2017 ) dan hilangnya karbon organik tanah (Gollany & Polumsky, 2018 ), meskipun efeknya berkurang dengan berkurangnya gangguan tanah dan retensi residu yang lebih besar. Tanaman penutup telah dipromosikan sebagai cara untuk mengurangi periode bera dan meningkatkan kualitas sifat kimia, biologi, dan fisik tanah (Fageria et al., 2005 ; Koudahe et al., 2022 ) dengan membangun biomassa, menyediakan penutup tanah, memperkaya nutrisi tanah, membatasi penguapan air tanah, menekan gulma, atau mengubah dinamika penyakit. Tanaman penutup (CC) secara umum didefinisikan sebagai spesies tanaman tunggal atau ganda yang ditanam di antara tanaman komersial dan tidak dipanen.

Beberapa penelitian telah menunjukkan manfaat CC, meskipun sebagian besar berasal dari wilayah di luar PNW dataran kering (Fageria et al., 2005 ; Nichols et al., 2020 ; Plastina et al., 2020 ) dengan iklim, sistem tanam, dan jenis tanah yang berbeda. Manfaat spesifik spesies CC yang dilaporkan meliputi Brassicaceae untuk biofumigasi karena metabolit sekunder tanaman (Rudolph & Pfeufer, 2021 ), Hordeum dan genera lain dengan kebiasaan pertumbuhan prostat dan produksi biomassa tinggi untuk kompetisi gulma (Alonso-Ayuso et al., 2018 ; Creamer et al., 1996 ), dan legum untuk fiksasi nitrogen biologis (Perrone et al., 2020 ). Manfaat umum dari penanaman penutup tanah meliputi pengurangan erosi (De Baets et al., 2011 ; Kaspar & Singer, 2011 ); peningkatan retensi nutrisi (Isse et al., 1999 ; Torrús-Castillo et al., 2022 ) khususnya nitrogen (Sainju et al., 1998 ); naungan tanah (Asbur & Purwaningrum, 2020 ); dampak positif pada dinamika bahan organik tanah (Anuo et al., 2023 ; Moukanni et al., 2022 ); peningkatan infiltrasi air (Blanco-Canqui & Ruis, 2020 ); penekanan gulma, hama, dan penyakit (Bowers et al., 2020 ; Chen et al., 2019 ; Schipanski et al., 2014 ); dan kesempatan untuk merumput (Kelly et al., 2021 ; Tobin et al., 2020 ). Terdapat pula layanan ekosistem yang telah terbukti dari penanaman tanaman penutup, termasuk peningkatan habitat penyerbuk (Bryan et al., 2021 ; Mallinger et al., 2019 ), peningkatan kualitas air (Dabney, 1998 ), dan peningkatan keseluruhan dalam keanekaragaman hayati lanskap pertanian (Beillouin et al., 2021 ; Elhakeem et al., 2019 ). Selain itu, insentif finansial tersedia bagi produsen di Amerika Serikat untuk menerapkan penanaman tanaman penutup, karena petani mungkin memenuhi syarat untuk program federal guna mendapatkan diskon asuransi atau pembagian biaya dari pengeluaran penanaman tanaman penutup (misalnya, The Environmental Quality Incentives Program of the NRCS in the USDA) (Bergtold et al., 2019 ; Chami et al., 2023 ; Park et al., 2023 ).

Risiko penanaman penutup tanah, seperti hilangnya air dari profil tanah (Krstic et al., 2018 ; Nielsen et al., 2015 ), merupakan hambatan untuk adopsi praktik tersebut, terutama dalam sistem produksi input rendah dan terbatas air (Dunn et al., 2016 ). Namun, penelitian dari berbagai wilayah dan sistem penanaman yang berbeda menunjukkan tidak ada kehilangan air bersih (Burke et al., 2022 ; DeLaune & Mubvumba, 2020 ). Biaya benih dan penanaman CC versus pengelolaan lahan bera tradisional juga menjadi pertimbangan (Martins et al., 2021 ; Tyndall et al., 2021 ). Selain itu, ada risiko infestasi gulma di CC jika tidak tumbuh dengan baik dan produksi biomassa buruk (Teasdale et al., 2007 ). Di PNW semiarid, mencapai pembentukan dan pertumbuhan CC yang memadai dapat menjadi suatu tantangan. Ada waktu yang sempit untuk menanam CC musim gugur sebelum hari-hari derajat pertumbuhan (GDD) melambat selama musim dingin. Demikian pula, waktu untuk menanam CC musim semi antara waktu ketika ladang menghangat setelah musim dingin dan ketika tidak ada cukup air untuk perkecambahan juga sempit.

Meskipun manfaat dan risiko potensial yang terkait dengan CC dapat ditemukan dalam literatur ilmiah, informasi yang tersedia bagi petani di PNW semikering dan wilayah iklim Mediterania yang serupa terbatas (Lavoie et al., 2021 ). Studi ini dilakukan untuk menjelaskan beberapa risiko dan manfaat penanaman penutup tanah di wilayah PNW semikering tadah hujan dengan tujuan khusus untuk mengevaluasi pertumbuhan CC, dampak pada air tanah, dan potensi pengendalian gulma. Studi ini merupakan bagian dari kumpulan pekerjaan yang lebih besar untuk menyelidiki penanaman penutup tanah terkait gulma, hasil panen komersial, penekanan penyakit, siklus nutrisi tanah, dan profitabilitas di wilayah semikering tadah hujan.

2 BAHAN DAN METODE
2.1 Deskripsi percobaan
Percobaan CC dilakukan pada tahun panen 2021 dan 2022 di dua lokasi di zona curah hujan rendah dan menengah di PNW lahan kering di Oregon timur, tempat gandum musim dingin–lahan bera merupakan sistem tanam yang dominan. Lokasi dengan curah hujan rendah berada di dekat Lexington, OR, di Starvation Farms (45°35′33.5″N 119°33′58.3″W) dan memiliki curah hujan tahunan rata-rata 30 tahun sebesar 248 mm, berdasarkan data Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model (PRISM) (PRISM Climate Group, 2024 ). Lokasi dengan curah hujan menengah berada di dekat Adams, OR, di Columbia Basin Agricultural Research Center (45°43′32.1″N 118°37′30.9″W) dan memiliki curah hujan tahunan rata-rata 30 tahun sebesar 423 mm, berdasarkan data dari stasiun cuaca di lokasi. Lokasi penelitian menerima curah hujan tahunan sebesar 251 dan 478 mm pada tahun 2021 dan 2022 di Adams (Gambar 1a ), dan 171 dan 355 mm pada tahun 2021 dan 2022 di Lexington (Gambar 1b ). Jenis tanahnya adalah lempung lanau Warden di Lexington dan tanah lempung lanau Walla Walla di Adams.

Setiap percobaan mencakup sembilan perlakuan CC. CC yang ditanam pada musim gugur adalah kacang polong musim dingin ( Pisum sativum L.), kacang lentil musim dingin ( Lens culinaris Medik.), dan campuran tiga spesies musim gugur (barley musim dingin [ Hordeum vulgare L.], kacang polong Austria [ Pisum sativum var. arvense ], dan sawi kuning [ Sinapis alba L.]). CC yang ditanam pada musim semi adalah vetch biasa ( Vicia sativa L.), sawi kuning ( Sinapis alba L.), lacy phacelia ( Phacelia tanacetifolia Benth), lobak tillage ( Raphanus sativus L.), barley musim semi, dan campuran enam spesies (barley musim semi, kacang polong Austria, mustard kuning, lacy phacelia, lobak tillage, dan vetch biasa). Tanggal penyemaian CC, tingkat penyemaian, varietas tanaman, dan tanggal penghentian untuk kedua lokasi disajikan dalam Tabel 1 .

 

TABEL 1. Spesies tanaman penutup tanah (CC), varietas, tingkat penyemaian, serta tanggal penyemaian dan penghentian di kedua lokasi, Adams dan Lexington, OR, pada tahun 2021 dan 2022.

Singkatan: CC, tanaman penutup; VNS, varietas tidak ditentukan.

Uji coba dimulai di lokasi baru di ladang setiap tahun setelah panen gandum musim dingin. Percobaan CC menggunakan rancangan blok lengkap acak dengan empat kali ulangan dan 10 perlakuan yang mencakup sembilan CC dan lahan bera sebagai kontrol. Dimensi plot adalah 4,3 m × 12,2 m. Pada kedua tahun tersebut, area uji coba di kedua lokasi disemprot sebelum penyemaian musim gugur dengan glifosat sebanyak 1,15 kg ai ha −1 (GlyStar 5 Extra; Albaugh LLC) + surfaktan sebanyak 0,8% v/v (Flashpoint; The McGregor Company) untuk mengendalikan gulma yang muncul. Lahan CC yang ditanam pada musim semi dan lahan bera di kedua lokasi pada tahun 2021 dan 2022 juga menerima aplikasi tambahan glifosat sebanyak 1,15 kg ai ha -1 (GlyStar 5 Extra) + piraflufen etil sebanyak 3,7 g ai ha -1 (Vida; Gowan Company, LLC) + surfaktan sebanyak 0,8% v/v (Flashpoint) + minyak tanaman terkonsentrasi sebanyak 0,02% v/v (Glacier EA; Wilbur-Ellis Company LLC) sebelum penyemaian. Penyemaian dilakukan dengan bor lahan tanpa olah tanah Fabro (Swift Current) dengan pembuka lahan tipe cangkul yang diberi jarak 30,5 cm. Lahan CC diakhiri dengan glifosat sebanyak 3 kg ai ha -1 (Gly Star 5 Extra) + surfaktan sebanyak 0,8% v/v (Flashpoint).

2.2 CC dan tutupan gulma serta biomassa
Persentase tutupan lahan tanaman dan gulma dievaluasi secara visual (dengan skala dari 1 hingga 100) di empat petak 0,5 m 2 per plot di masing-masing dari empat bagian plot (NW, NE, SW, dan SE) pada tahun 2021 dan 2022. Hal ini dilakukan dua kali per tahun di awal musim semi dan tepat sebelum berakhirnya CC, kecuali untuk CC yang ditanam di musim semi dan plot bera pada tahun 2021 yang hanya diambil sampelnya sekali di musim semi. Evaluasi CC dan persentase tutupan gulma dikategorikan ke dalam empat kategori tanaman yang berbeda: CC, brome berbulu halus ( Bromus tectorum L.), gandum liar, dan spesies berdaun lebar.

Biomassa tanaman dikumpulkan sebelum penghentian CC pada tahun 2021 dan 2022 dalam empat kerangka pengambilan sampel per plot setelah evaluasi persentase tutupan spesies kedua, kecuali pada plot bera pada tahun 2021 karena hampir tidak ada kehadiran tanaman. Biomassa tanaman dipisahkan per kerangka menurut empat kategori tanaman. Sampel dimasukkan ke dalam oven pengering pada suhu 60°C selama minimal 48 jam untuk mendapatkan berat kering.

2.3 Air tanah
Data kelembapan tanah dikumpulkan di kedua lokasi untuk tahun panen 2022. Pengukuran kelembapan tanah dilakukan sekitar 5 bulan setelah penghentian CC bertepatan dengan waktu penanaman gandum setelah bera (atau CC yang ditanam pada musim gugur) dalam sistem gandum-bera regional. Inti tanah dikumpulkan hingga kedalaman 120 cm dari setiap plot menggunakan probe inti Giddings (diameter = 3,15 cm). Inti dipisahkan menjadi kelipatan kedalaman 30 cm. Bagian 30 cm ditimbang, dihomogenkan, dan 30 g dipindahkan ke kaleng tanah. Sampel tanah dikeringkan pada suhu 105°C selama minimal 15 jam dan kemudian ditimbang. Kadar air gravimetrik (GWC) dihitung berdasarkan perbedaan massa antara tanah basah dan kering, dibagi dengan massa tanah kering. Jika memungkinkan, kerapatan curah juga dihitung berdasarkan volume inti kedalaman 30 cm. Kepadatan massal setiap sampel, jika tersedia, digunakan untuk menghitung kadar air volumetrik (VWC) untuk setiap kedalaman. Untuk memperkirakan penyimpanan air di seluruh profil tanah (permukaan hingga 90 cm), VWC pada setiap kedalaman dikalikan dengan 30 cm dan dijumlahkan. Kehadiran kalis dan tantangan pengambilan sampel lainnya (yaitu, sampel yang dipadatkan) mencegah pengambilan sampel di beberapa plot hingga 120 cm penuh dan oleh karena itu VWC 120 cm dikeluarkan dari analisis. Kepadatan massal rata-rata (g cm −3 ) di situs Adams adalah 1,21 pada 30 cm, 1,14 pada 60 cm, dan 1,20 pada 90 cm. Kepadatan massal rata-rata (g cm −3 ) di situs Lexington adalah 1,30 pada 30 cm, 1,33 pada 60 cm, dan 1,35 pada 90 cm.

2.4 Analisis statistik
Kinerja CC (yaitu, persentase tutupan dan biomassa CC) dan dampak CC pada gulma (yaitu, persentase tutupan gulma dan biomassa gulma) dievaluasi dengan model campuran. Untuk kedua analisis, faktor tetap adalah perlakuan CC (sembilan CC dimasukkan dalam analisis kinerja CC dan sembilan CC ditambah lahan bera dimasukkan dalam analisis untuk mengevaluasi dampak CC) dan faktor acak adalah blok. Namun, dalam model di mana variabel dependen adalah persentase tutupan, waktu pengambilan sampel disarangkan sebagai faktor acak untuk memperhitungkan pengukuran berulang (plot diambil sampelnya dua kali untuk variabel itu). Tahun dan lokasi untuk mempelajari kinerja CC dan dampaknya pada gulma dianalisis secara independen karena analisis awal menunjukkan interaksi yang signifikan antara kedua faktor tersebut dan mempelajarinya secara terpisah memudahkan interpretasinya.

Ketika variabel dependen (persentase tutupan dan/atau biomassa tanaman) melanggar ketentuan untuk analisis varians (mengikuti distribusi normal dan memiliki varians yang homogen), data ditransformasikan. Ketentuan tersebut diuji dengan uji Shapiro–Wilk dan uji Levene. Transformasi sederhana, seperti logaritma atau akar kuadrat, sudah cukup untuk memenuhi ketentuan. Namun, data yang tidak ditransformasikan digunakan untuk menyajikan hasil. Ketika ditemukan perbedaan yang signifikan ( nilai p < 0,05), uji Tukey digunakan untuk mengidentifikasi perbedaan perlakuan. Untuk lebih memahami hubungan antara biomassa CC dan biomassa gulma, korelasi Pearson dan analisis regresi dilakukan per lokasi, tahun, dan waktu penyemaian CC (musim dingin dan musim semi). Alasan di balik pemisahan CC berdasarkan waktu penyemaian adalah karena tidak ditemukan korelasi signifikan ketika dianalisis bersama. Ketika korelasi signifikan ditemukan, model regresi linier dan eksponensial disesuaikan dengan data eksperimen. Namun, model eksponensial memiliki kesesuaian yang lebih baik berdasarkan kriteria informasi Akaike dan hanya model tersebut yang disajikan.

Pendekatan model campuran juga digunakan untuk mengevaluasi perbedaan dalam GWC dan profil penyimpanan air untuk kedua lokasi, di mana perlakuan CC adalah efek tetap dan blok adalah efek acak. Kedalaman dianalisis secara terpisah untuk mengetahui perbedaan di seluruh zona perakaran antara perlakuan. Uji Tukey digunakan untuk analisis rata-rata post hoc ketika ditemukan perbedaan yang signifikan. Tidak ada transformasi data GWC yang dilakukan, karena uji Shapiro–Wilk menunjukkan distribusi yang hampir normal dan kemiringan serta kurtosisnya dapat diterima. Semua analisis dilakukan dalam Rstudio versi 2024.04.1 (Tim RStudio, 2020 ). Paket yang digunakan dalam Rstudio adalah base, car, DescTools, lme4, TukeyC, readxl, dan dplyr.

3 HASIL
3.1 Cakupan CC dan biomassa
Kacang polong musim dingin dan campuran musim gugur secara umum memiliki persentase tutupan tanah yang lebih besar di kedua lokasi daripada CC lainnya kecuali untuk tahun 2021 di Adams di mana beberapa CC musim semi menghasilkan persentase tutupan tanah yang sama (Tabel 2 ). Persentase tutupan tanah untuk kacang polong musim dingin dan campuran musim gugur berkisar antara 8% dan 56% di seluruh tahun-lokasi. Selain lentil di Adams pada tahun 2022, kedua lentil (2021 dan 2022) memiliki persentase tutupan yang lebih rendah daripada CC yang ditanam di musim gugur lainnya dengan nilai yang mirip dengan beberapa CC musim semi. Baik jelai musim semi maupun campuran musim semi memiliki persentase tutupan tertinggi dari semua CC yang ditanam di musim semi. Mustard kuning secara konsisten berada di tiga terbawah untuk semua tahun dan lokasi. Lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch bervariasi menurut tahun dan lokasi dan dalam beberapa kasus, menghasilkan persentase tutupan tanah yang mirip dengan jelai musim semi dan campuran musim semi. Misalnya, lacy phacelia, pada tahun 2021, berada di tiga teratas di Adams, tetapi berada di posisi terbawah pada tahun 2022 di kedua lokasi tersebut. Common vetch berada di posisi teratas di Lexington pada tahun 2022, tahun yang hangat dan basah, tetapi sangat dekat dengan posisi terbawah di Adams pada tahun 2021 dan 2022. Persentase tutupan untuk lentil dan CC musim semi selalu kurang dari 30%, dengan nilai antara 10% dan 20% lebih sering, yang menyebabkan sebagian besar tanah tidak tertutup.

 

TABEL 2. Tutupan tanaman penutup (%) di Adams dan Lexington, OR, pada tahun 2021 dan 2022.

Catatan : Huruf yang berbeda dalam kolom menunjukkan perbedaan yang signifikan menurut uji Tukey ( nilai- p < 0,05).
Campuran musim gugur meliputi jelai musim dingin, kacang polong musim dingin, dan sawi kuning. Campuran musim semi meliputi jelai musim semi, kacang polong Austria, sawi kuning, lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch.

Biomassa CC mengikuti tren serupa sebagai persentase penutup tanah. Campuran musim gugur merupakan perlakuan CC dengan biomassa terbesar, meskipun sangat sering, biomassanya tidak berbeda secara signifikan dari kacang polong musim dingin (Tabel 3 ). Biomassa kacang lentil musim dingin sering kali tidak berbeda secara signifikan dari banyak CC musim semi, khususnya pada tahun 2022, ketika ada hujan musim semi yang signifikan. Sawi kuning berada dalam tiga perlakuan terbawah untuk produksi biomassa di semua tahun dan lokasi, dan kinerja CC lainnya bervariasi menurut lokasi dan tahun.

 

TABEL 3. Biomassa kering tanaman penutup tanah (kg ha ⁻¹ ) di Adams dan Lexington, OR, pada tahun 2021 dan 2022.

Catatan : Huruf yang berbeda dalam kolom menunjukkan perbedaan yang signifikan menurut uji Tukey ( nilai- p < 0,05).
Campuran musim gugur meliputi jelai musim dingin, kacang polong musim dingin, dan sawi kuning. Campuran musim semi meliputi jelai musim semi, kacang polong Austria, sawi kuning, lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch.

3.2 Tutupan gulma dan biomassa
Komunitas gulma di kedua lokasi didominasi oleh downy brome, gandum liar, dan selada berduri ( Lactuca serriola L.) (Tabel 4 ). Sehubungan dengan persentase tutupan gulma pada pengambilan sampel kedua (sekitar bulan Mei), di Adams, spesies gulma dominan di CC yang ditanam pada musim gugur dan musim semi di semua tahun adalah downy brome. Sebaliknya, spesies gulma dominan di Lexington bervariasi menurut tahun dan waktu penyemaian CC. Gandum liar adalah gulma dominan di CC yang ditanam pada musim gugur, kecuali tahun 2021 yang didominasi oleh downy brome. CC yang ditanam pada musim semi di Lexington memiliki downy brome diikuti oleh gandum liar sebagai spesies gulma dominan, kecuali tahun 2022 (tahun yang lebih hangat dan basah) ketika selada berduri adalah gulma dominan diikuti oleh downy brome. Terkait biomassa gulma, skenarionya serupa kecuali untuk beberapa hal: biomassa gandum sukarela lebih besar daripada biomassa broma berbulu halus di CC yang ditanam pada musim gugur di kedua lokasi pada tahun 2021 dan biomassa broma berbulu halus mengalahkan biomassa selada berduri di Lexington pada tahun 2022. Meskipun tiga gulma yang paling melimpah dalam penelitian ini adalah spesies tahunan yang berkecambah paling awal di musim gugur, kehadiran broma berbulu halus dan selada berduri yang lebih tinggi di CC yang ditanam pada musim semi menunjukkan persaingan yang buruk yang diberikan oleh CC ini di kedua lokasi dan bahwa kedua spesies gulma ini dapat memiliki perkecambahan yang signifikan di musim semi juga.

 

TABEL 4. Persentase keberadaan spesies gulma relatif terkait dengan total spesies gulma dalam percobaan tanaman penutup (CC) menurut lokasi (Adams dan Lexington) dan waktu penyemaian CC pada tahun 2021 dan 2022, menurut tutupan gulma pada pengambilan sampel kedua dan biomassa gulma.

a Persentase yang ditunjukkan untuk selada berduri pada tahun 2022 juga mencakup sejumlah kecil spesies lain.

Pada tahun 2021, tahun yang lebih kering daripada tahun 2022, persentase tutupan gulma secara umum lebih besar daripada persentase tutupan CC, dan hal yang sama diamati untuk biomassa gulma dibandingkan dengan biomassa CC. Namun, pada tahun 2022, tahun yang lebih basah, tutupan CC dan biomassa secara lebih konsisten mengatasi tutupan gulma dan biomassa (Tabel 2, 3, 5 , dan 6 ). Persentase tutupan gulma dan biomassa lebih besar di CC yang ditanam musim gugur, dan khususnya lentil, daripada di CC yang ditanam musim semi. Namun, perbedaan tidak selalu signifikan tergantung pada lokasi, tahun, dan CC (Tabel 5 dan 6 ). Persentase tutupan gulma dan biomassa gulma serupa dalam campuran musim gugur dan kacang polong musim dingin, yang menunjukkan efek persaingan yang serupa dari kedua CC terhadap gulma (Tabel 5 dan 6 ). Persentase tutupan gulma dan biomassa di antara CC yang ditanam musim semi secara umum serupa. Hanya biomassa gulma pada jelai musim semi di Adams pada tahun 2021 yang memiliki biomassa gulma yang jauh lebih rendah daripada CC yang ditanam pada musim semi lainnya (Tabel 5 dan 6 ). Melihat produksi biomassa dari masing-masing spesies yang ada, kita melihat bahwa banyak perbedaan yang disebutkan antara CC yang ditanam pada musim gugur dan musim semi disebabkan oleh kehadiran gandum liar yang jauh lebih rendah di CC yang ditanam pada musim semi dibandingkan dengan CC yang ditanam pada musim gugur. Komunitas berdaun lebar yang didominasi oleh selada berduri tidak berbeda secara signifikan di semua CC (Tabel 6 ).

 

TABEL 5. Tutupan gulma (%) di Adams dan Lexington, OR, pada tahun 2021 dan 2022.

Catatan : Huruf yang berbeda dalam kolom menunjukkan perbedaan yang signifikan menurut uji Tukey ( nilai- p < 0,05).
Campuran musim gugur meliputi jelai musim dingin, kacang polong musim dingin, dan sawi kuning. Campuran musim semi meliputi jelai musim semi, kacang polong Austria, sawi kuning, lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch.
b Pada tahun 2021, petak bera dan tanaman musim semi dievaluasi hanya sekali, tidak seperti petak lainnya. Pengambilan sampel di petak bera dilakukan sebelum aplikasi herbisida musim semi di Adams dan setelah aplikasi herbisida musim semi (kedua) di Lexington.

 

TABEL 6. Biomassa gulma (kg ha ⁻¹ ) di Adams dan Lexington, OR, pada tahun 2021 dan 2022 untuk total spesies gulma dan spesies gulma dominan.

Catatan : Huruf yang berbeda dalam kolom menunjukkan perbedaan signifikan menurut uji Tukey ( nilai p < 0,05) dan ns menunjukkan tidak signifikansi.
Campuran musim gugur meliputi jelai musim dingin, kacang polong musim dingin, dan sawi kuning. Campuran musim semi meliputi jelai musim semi, kacang polong Austria, sawi kuning, lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch.
b ND, tidak ditentukan.

Pada tahun 2022 (tahun ketika plot bera dievaluasi dua kali untuk persentase tutupan gulma dan diambil sampelnya untuk biomassa), plot bera menunjukkan tutupan gulma dan biomassa gulma yang serupa dibandingkan dengan perlakuan CC lainnya di Adams, kecuali untuk biomassa gulma yang lebih tinggi pada kacang polong musim dingin dan lentil. Di Lexington, semua CC yang ditanam pada musim semi menunjukkan infestasi yang serupa menurut tutupan gulma dan biomassa yang lebih tinggi daripada infestasi pada plot bera. Infestasi pada CC yang ditanam pada musim gugur juga lebih tinggi daripada pada plot kontrol bera menurut kedua variabel di lokasi dan tahun ini (Tabel 5 dan 6 ).

3.3 Hubungan antara CC dan gulma
Hubungan antara CC dan biomassa gulma sangat bervariasi dan bergantung pada tahun dan lokasi. Koefisien korelasi Pearson bervariasi dari 0,089 (tidak ada korelasi signifikan) hingga -0,681 (korelasi sedang) (Tabel 7 ). Di Lexington, tidak ada korelasi signifikan antara CC yang ditanam di musim semi dan gulma dalam 2 tahun tersebut. Pada tahun 2021, hasil ini kemungkinan besar disebabkan oleh produksi biomassa CC yang ditanam di musim semi yang umumnya rendah di lokasi ini (Tabel 3 ) dan pada tahun 2022, kemungkinan besar disebabkan oleh rendahnya jumlah gulma yang diamati di lokasi ini tahun itu. Kurangnya korelasi antara CC yang ditanam di musim gugur dan gulma di Lexington pada tahun 2022 (Tabel 7 ) selanjutnya menunjukkan rendahnya bank benih gulma. Di lokasi Adams, korelasi antara CC yang ditanam di musim semi dan biomassa gulma juga berbeda antar tahun, dengan korelasi yang lemah pada tahun 2021 (koefisien Pearson = -0,219) dan sedang pada tahun 2022 (koefisien Pearson = -0,681). Perbedaan ini dapat disebabkan oleh perbedaan jumlah curah hujan yang diterima di kedua tahun tersebut, kehadiran selada berduri yang lebih tinggi pada tahun 2022, atau kombinasi dari kedua faktor tersebut. Mengenai CC yang ditanam di musim gugur, mereka menunjukkan korelasi negatif yang lebih konsisten dengan gulma, kecuali untuk lokasi di Lexington pada tahun 2022 yang disebutkan sebelumnya. Berdasarkan model eksponensial yang sesuai dengan data eksperimen (Tabel 7 ), dan dengan mempertimbangkan 789 kg ha −1 sebagai rata-rata biomassa CC yang ditanam pada musim gugur di antara lokasi dan tahun yang terdapat korelasi signifikan antara CC yang ditanam pada musim gugur dan gulma, pengurangan biomassa gulma akan menjadi sebesar 18,5%, 64,1%, dan 41,5% di Adams pada tahun 2021, Lexington pada tahun 2021, dan Adams pada tahun 2022, berturut-turut.

 

TABEL 7. Koefisien korelasi Pearson dan parameter model eksponensial antara biomassa tanaman penutup (variabel independen) dan biomassa gulma (variabel dependen) di kedua lokasi (Adams dan Lexington, OR) dan menurut waktu penyemaian yang berbeda pada tahun 2021 dan 2022.

Catatan : Model eksponensial yang digunakan untuk menyesuaikan data eksperimen adalah: Y = a × e (− bX ) .
Singkatan: SD, deviasi standar.
*** p < 0,001, ** p < 0,01, dan * p < 0,05.

3.4 Kelembaban tanah
GWC diukur pada musim gugur tahun 2022, setelah penghentian CC dan tepat sebelum waktu penyemaian tanaman komersial (Gambar 2 ). Di lokasi presipitasi antara (Adams), tidak ada perbedaan signifikan ( p < 0,05) dalam GWC yang diamati antara perlakuan CC untuk kedalaman apa pun, meskipun ada GWC tanah rata-rata yang lebih besar dalam sistem CC dibandingkan dengan lahan bera. Di lokasi presipitasi rendah (Lexington), GWC setelah CC yang ditanam di musim gugur secara signifikan lebih rendah pada setiap kedalaman pengambilan sampel dibandingkan dengan CC yang ditanam di musim semi atau perlakuan lahan bera. Dari CC yang ditanam di musim gugur, perlakuan dengan lentil musim dingin umumnya memiliki GWC yang lebih besar di seluruh profil dan CC yang ditanam di musim semi cenderung memiliki kelembaban tanah yang sedikit lebih rendah atau sebanding berdasarkan kedalaman dibandingkan dengan plot lahan bera di lokasi ini (Gambar 2 ).

Tidak ada perbedaan signifikan yang ditunjukkan dalam penyimpanan air profil tanah (kedalaman 0 hingga 90 cm) antara perlakuan CC di Adams (Tabel 8 ). Total penyimpanan air tanah profil 90 cm berkisar dari 16,9 cm (kacang polong musim dingin) hingga 18,2 cm (barley musim semi) di lokasi ini. Di Lexington, penyimpanan air tanah setelah kacang polong musim dingin (penyimpanan air profil rata-rata 8,1 cm) dan campuran musim gugur (penyimpanan rata-rata 9,4 cm) secara signifikan lebih rendah dibandingkan dengan CC musim semi atau petak bera (Tabel 8 ).

TABEL 8. Penyimpanan kelembaban di 90 cm bagian atas tanah untuk setiap perlakuan tanaman penutup di Adams, OR dan Lexington, OR, dikumpulkan pada bulan September 2022.

Catatan : Huruf yang berbeda dalam kolom menunjukkan perbedaan yang signifikan menurut uji Tukey ( p < 0,05).
Campuran musim gugur meliputi jelai musim dingin, kacang polong musim dingin, dan sawi kuning. Campuran musim semi meliputi jelai musim semi, kacang polong Austria, sawi kuning, lacy phacelia, tillage lobak, dan common vetch.

4 DISKUSI
Perbedaan dalam kinerja CC menurut tahun dan lokasi, yang diukur dalam studi ini sebagai persentase tutupan tanah dan produksi biomassa, kemungkinan dapat dikaitkan dengan perbedaan curah hujan tahunan, jenis tanah, dan faktor lingkungan lain yang memengaruhi pertumbuhan tanaman. Di seluruh lokasi dan tahun, CC yang ditanam pada musim gugur berkinerja terbaik, dengan kacang polong musim dingin dan campuran musim gugur menjadi dua perlakuan penghasil biomassa teratas. Produksi biomassa sangat terbatas untuk CC yang ditanam pada musim semi. Pada saat suhu cukup hangat di akhir musim dingin untuk menyelesaikan penyemaian dan dengan batas waktu penghentian CC 1 Juni untuk banyak program federal (Park et al., 2023 ), unit GDD tidak cukup untuk akumulasi biomassa yang substansial. Ada kemungkinan bahwa CC yang ditanam pada musim semi di wilayah tersebut dapat lebih berhasil jika musim tanam dapat diperpanjang, misalnya, jika produsen dapat menyemai spesies CC yang tahan beku pada bulan Februari dan penghentian terjadi kemudian. Dalam iklim Mediterania ini, CC yang ditanam pada musim gugur memiliki keuntungan dari periode pertumbuhan yang lebih lama dengan kondisi kelembaban yang lebih baik (sebagian besar curah hujan terjadi selama musim dingin dan awal musim semi) dan akumulasi GDD yang lebih tinggi. Hal ini memungkinkan lebih banyak produksi biomassa dan penyediaan layanan ekosistem.

CC dapat memberikan beberapa manfaat bagi tanah yang bergantung pada jumlah biomassa yang dihasilkan. Ini dapat mencakup peningkatan (atau setidaknya pemeliharaan) karbon organik tanah, penekanan gulma, dan efek positif pada sifat fisik dan nutrisi tanah. Dalam analisis luas CC di wilayah beriklim sedang, Hughes et al. ( 2023 ) memperkirakan bahwa ambang batas minimum sekitar 1300 kg ha −1 biomassa CC diperlukan agar stok karbon tanah meningkat. Yang lain telah melaporkan bahwa biomassa CC harus mencapai sekitar 8000 kg ha −1 untuk secara efektif menekan gulma, meskipun tingkat yang lebih rendah juga dapat efektif tetapi dengan variabilitas yang lebih besar (Fernando & Shrestha, 2023 ; Mirsky et al., 2012, 2013 ; Silva & Bagavathiannan, 2023 ). Yang lain telah menunjukkan potensi untuk memperbaiki sifat fisik tanah (misalnya, penurunan densitas massal) dan peningkatan retensi dan ketersediaan nutrisi tanah setelah berbagai jenis CC, meskipun manfaat ini juga bergantung pada produksi biomassa (Haruna et al., 2020 ; Koudahe et al., 2022 ; MacMillan et al., 2022 ). Dalam studi saat ini, tidak ada CC yang ditanam di musim semi yang pernah memenuhi ambang biomassa yang diberikan dalam studi ini, bahkan jika biomassa gulma dipertimbangkan, sementara CC yang ditanam di musim gugur dengan kinerja terbaik terkadang melakukannya (Tabel 3 dan 6 ). Dengan demikian, layanan ekosistem utama yang dapat berasal dari CC hanya diharapkan dengan CC yang ditanam di musim gugur yang paling kuat yang dipelajari.

Fokus dalam studi ini adalah efek CC pada penekanan gulma dan pengelolaan gulma. Salah satu manfaat potensial CC adalah pengurangan penggunaan herbisida untuk mengendalikan gulma. CC yang ditanam di musim semi tidak menghemat aplikasi herbisida apa pun, karena mereka menerima aplikasi herbisida yang sama seperti plot bera dan gulma tidak berkurang dibandingkan dengan plot bera. Infestasi yang sama atau lebih tinggi di CC yang ditanam di musim semi dibandingkan dengan plot bera di kedua lokasi menunjukkan bahwa persaingan tanaman ini terhadap gulma sangat buruk. CC yang ditanam di musim gugur menghemat satu aplikasi herbisida dan tekanan gulma secara umum lebih rendah daripada di CC yang ditanam di musim semi. Tetapi seperti dicatat di bawah ini dalam pembahasan spesies gulma individu, bahkan jika gulma hadir dalam sistem, penghentian CC yang tepat waktu akan mencegah produksi benih gulma yang layak, mengurangi potensi tekanan gulma di masa mendatang.

Downy brome adalah salah satu spesies gulma yang paling tersebar luas dan mengganggu di wilayah PNW (Morrow & Stahlman, 1984 ), terutama dalam sistem olah tanah yang dikurangi (Ball et al., 2004 ), dan baru-baru ini dilaporkan resistan terhadap kelompok herbisida umum yang digunakan dalam gandum (Ribeiro, Barroso, et al., 2023 ; Ribeiro, Brunharo, et al., 2023 ), dengan populasi yang resistan sering dan tersebar di seluruh wilayah (Ribeiro et al., 2024 ). Akibatnya, kemungkinan mengurangi infestasi downy brome dengan alat alternatif, seperti penggunaan CC, akan sangat bermanfaat. Dalam penelitian ini, infestasi downy brome konsisten di seluruh perlakuan CC yang ditanam di musim gugur dan musim semi. Spesies ini biasanya berkecambah di musim gugur, tetapi juga pada tingkat yang lebih rendah di musim semi (Lyon et al., 2015 ). Dengan demikian, tingkat infestasi downy brome yang konsisten di CC yang ditanam musim gugur dapat diharapkan, tetapi memiliki downy brome sebagai gulma dominan di CC yang ditanam musim semi, pada tingkat yang sama dengan CC yang ditanam musim gugur, di semua tahun-lokasi tidak terduga. Salah satu efek terkuat yang dapat dimiliki CC pada populasi gulma adalah pengurangan perkecambahan benih dengan mengurangi suhu tanah dan memengaruhi kualitas cahaya (Silva & Bagavathiannan, 2023 ). Namun, downy brome memiliki ambang batas suhu yang lebar (5°C–20°C) untuk berkecambah (Thill et al., 1980 ; Veseth et al., 1994 ), dan persyaratan ini mungkin terpenuhi di semua perlakuan CC karena biomassa dan tutupan CC yang rendah. Untuk CC yang ditanam musim gugur, hari penghentian harus terjadi sebelum akumulasi 1000 GDD untuk mencegah downy brome mengembangkan benih yang layak (Ball et al., 2004 ), yang dilakukan dalam penelitian ini. Untuk CC yang ditanam di musim semi, penelitian terus dilakukan untuk memperkirakan GDD yang dibutuhkan brome berbulu halus untuk menghasilkan benih yang layak saat berkecambah di musim semi dan menentukan kapan CC ini harus dihentikan untuk mencegah benih gulma menjadi bagian dari bank benih tanah.

Infestasi gandum sukarela cukup besar di CC yang ditanam musim gugur, tetapi tidak signifikan di CC yang ditanam musim semi. Hasil ini kemungkinan besar disebabkan oleh aplikasi glifosat pra-tanam tambahan yang diberikan sebelum munculnya CC musim semi dan kurangnya perkecambahan bertahap dari spesies ini. Gandum sukarela telah dilaporkan berperilaku seperti gulma ketika tumbuh di tanaman gandum musim dingin dengan mengurangi potensi hasil (Wuest et al., 2021 ), tetapi pertimbangan yang berbeda mungkin diperhitungkan saat tumbuh di CC. Gandum musim dingin adalah pesaing gulma yang kuat (Lotz et al., 1990 ) dan jika CC tidak, atau tidak memiliki spesies rumput di dalamnya, gandum sukarela dapat diinginkan, kecuali jika produsen khawatir tentang spesies ini yang bertindak sebagai jembatan hijau untuk penyakit.

Selada berduri, spesies gulma lain yang penting dalam studi ini, adalah spesies lain dengan ambang suhu yang lebar untuk berkecambah (6°C–27°C) (Chadha et al., 2019 ; Monfared et al., 2012 ) dan tidak terpengaruh oleh kondisi cahaya (Chadha et al., 2019 ), yang membuatnya lebih sulit untuk mencegah perkecambahan. Namun, selada berduri tidak berbunga di wilayah tersebut hingga Juli (Weaver & Downs, 2003 ), jadi setidaknya tidak perlu dikhawatirkan benih akan berkembang sebelum penghentian CC. Namun, pembentukan CC kompetitif terhadap spesies ini sangat diinginkan karena ketika selada berduri tumbuh tanpa persaingan, ia dapat menggunakan banyak air, terutama ketika berkecambah di musim gugur (data tidak dipublikasikan).

Air biasanya merupakan faktor yang paling membatasi produksi pada sistem penanaman lahan kering di wilayah semikering, menjadikan konsumsi kelembapan tanah sebagai perhatian utama ketika pertumbuhan CC dipertimbangkan dalam sistem ini (Burke et al., 2022 ; Krstic et al., 2018 ). CC akan mengonsumsi kelembapan tanah melalui transpirasi tanaman, tetapi keberadaan CC dalam sistem juga dapat memengaruhi kadar kelembapan tanah secara positif. Misalnya, laju infiltrasi presipitasi ke dalam tanah dapat ditingkatkan dan laju penguapan dari permukaan tanah dapat dikurangi dengan menanam CC (Dabney, 1998 ). Variabel-variabel yang berlawanan ini dapat menghasilkan efek bersih yang berbeda pada kelembapan tanah, terutama bergantung pada manajemen sistem dan kondisi lingkungan (Burke et al., 2022 ; Krstic et al., 2018 ; Nielsen et al., 2015 ). Daerah produksi gandum kering di PNW sangat bervariasi dalam curah hujan tahunan rata-rata, dari sekitar 150 hingga 600 mm per tahun (Schillinger et al., 2008 ), dan dengan demikian efek CC pada kelembaban tanah diperkirakan berbeda di seluruh wilayah. Dalam penelitian ini, ada efek negatif dari CC yang ditanam di musim gugur pada kelembaban tanah di musim gugur setelah penghentian CC di lokasi curah hujan rendah, tetapi tidak ada perbedaan dalam kelembaban tanah setelah CC atau kontrol bera di lokasi curah hujan antara. Ini menunjukkan bahwa konsumsi kelembaban tanah oleh CC yang ditanam di musim gugur diimbangi oleh faktor-faktor yang secara positif memengaruhi kelembaban tanah di lokasi antara. CC yang ditanam di musim semi memiliki dampak terbatas pada kelembaban tanah di seluruh lokasi dibandingkan dengan perlakuan bera (meskipun penyimpanan profil tanah rata-rata sedikit lebih besar untuk CC musim semi dibandingkan dengan plot bera di lokasi curah hujan rendah), konsisten dengan pertumbuhannya yang terbatas. Perlu dicatat bahwa curah hujan pada tahun 2022 tidak hanya melebihi rata-rata tahunan (yaitu, 351 mm diterima di Lexington pada tahun 2022 dibandingkan dengan rata-rata 5 tahun sebesar 221 mm tahun -1 ), tetapi sebagian besar curah hujan itu terjadi sekitar waktu berakhirnya CC selama bulan April dan Mei (Gambar 1 ). Pola curah hujan yang tidak biasa ini mungkin telah meningkatkan konsumsi air tanah jangka pendek karena CC berada dalam fase pertumbuhan cepat ketika hujan turun, tetapi mungkin telah meningkatkan penyimpanan air tanah bersih karena CC dihentikan segera setelahnya. Oleh karena itu, lebih banyak data diperlukan untuk lebih memahami bagaimana CC—terutama CC yang ditanam di musim gugur yang memiliki potensi lebih besar untuk menghasilkan layanan ekosistem—dapat memengaruhi penyimpanan kelembaban tanah di bawah jumlah curah hujan dan pola musiman yang berbeda.

Secara keseluruhan, CC yang ditanam pada musim gugur, termasuk kacang polong musim dingin dan campuran tiga spesies musim gugur (barli, kacang polong, dan sawi kuning), menunjukkan hasil yang paling menjanjikan, dengan beberapa peringatan. Konservasi air tanah merupakan perhatian penting di daerah lahan kering ini dan meskipun CC tidak memiliki efek yang dapat diamati pada air tanah di lokasi antara pada tahun dengan curah hujan musim semi yang sangat tinggi, CC yang paling produktif memiliki efek negatif pada air tanah di lokasi dengan curah hujan rendah. Namun, manfaat dapat diperoleh dengan menghilangkan satu aplikasi herbisida pada tahun bera, seperti yang ditunjukkan dengan CC yang ditanam pada musim gugur. Penghapusan satu aplikasi herbisida merupakan hasil yang diinginkan dari penggunaan CC, tidak hanya karena pengurangan biaya input tetapi juga karena pengurangan tekanan herbisida (frekuensi aplikasi herbisida) akan membantu memperlambat perkembangan gulma yang resistan terhadap herbisida. Penanaman penutup tanah paling disukai di lokasi curah hujan antara, di mana CC yang ditanam pada musim gugur berpotensi mengurangi serangan gulma dan tekanan herbisida serta memiliki efek menguntungkan lainnya tanpa mengorbankan hasil panen tanaman komersial berikutnya. Akan tetapi, diperlukan penelitian lebih lanjut untuk memvalidasi dampak CC pada air tanah di wilayah ini, terutama dengan variabilitas curah hujan regional yang tinggi dari tahun ke tahun. Dampak CC pada tanaman gandum musim dingin berikutnya juga merupakan kebutuhan penelitian untuk menentukan profitabilitas CC di wilayah tersebut.