Remineralizing soils? The agricultural usage of silicate rock powders in the context of One Health

Abstract

The concept of soil health describes the capacity of soil to fulfill essential functions and ecosystem services. Healthy soils are inextricably linked to sustainable agriculture and are crucial for the interconnected health of plants, animals, humans, and their environment ("One Health"). However, soil health is threatened through unprecedented rates of soil degradation. A major form of soil degradation is nutrient depletion, which has been seriously underestimated for potassium (K) and several micronutrients. One way to replenish K and micronutrients are multi-nutrient silicate rock powders (SRPs). Their agronomic suitability has long been questioned due to slow weathering rates, although recent studies found significant soil health improvements and challenge past objections which insufficiently addressed the factorial complexity of the weathering process. Furthermore, environmental co-benefits might arise through their mixture with livestock slurry, which could reduce the slurry’s ammonia (NH₃) emissions and improve its biophysicochemical properties. However, neither SRPs effects on soil health, nor the biophysicochemical effects of mixing SRPs with livestock slurry have hitherto been comprehensively analyzed. The overall aim of this dissertation is thus to review the agricultural usage of SRPs in the context of One Health. The first part of this thesis starts with an elaboration of the health concept in general and then explores the interlinkages between soil health and One Health. Subsequently, the potentials and oftentimes bypassed problems of operationalizing soil health will be outlined, and feasible ways for its future usage are proposed. In the second part of the thesis, it is reviewed how and under which circumstances SRPs can ameliorate soil health. This is done by presenting a new framework with the most relevant factors for the usage of SRPs through which several contradictory outcomes of prior studies can be explained. A subsequent analysis of 48 crop trials reveals the potential of SRPs as K and multi-nutrient soil amendment for tropical soils, whereas the benefits for temperate soils are inconclusive. The review revealed various co-benefits that could substantially increase SRPs overall agronomic efficiency. The last part of the thesis reports about the effects of mixing two rock powders with cattle slurry. SRPs significantly increased the slurry´s CH₄ emission rates, whereas the effects on NH₃, CO₂, and N₂O emission rates were mostly insignificant. The rock powders increased the nutrient content of the slurry and altered its microbiology. In conclusion, the concept of soil health must be operationalized in more specific, practical, and context-dependent ways. Particularly in humid tropical environments, SRPs could advance low-cost soil health ameliorations, and its usage could have additional co-benefits regarding One Health. Mixing SRPs with organic materials like livestock slurry could overcome the major obstacle of their low solubility, although the effects on NH₃ and greenhouse gas emissions must be further evaluated.

Das Konzept der Bodengesundheit beschreibt die Fähigkeit des Bodens, essentielle Funktionen und Ökosystemdienstleistungen zu erbringen. Gesunde Böden sind sowohl für eine nachhaltige Landwirtschaft als auch für das Zusammenspiel von Pflanzen-, Tier-, Mensch- und Umweltgesundheit ("One Health") von entscheidender Bedeutung. Jedoch ist die Gesundheit der Böden vielerorts durch Degradation stark gefährdet, besonders durch die stark unterschätzte Nährstoffverarmung an Kalium (K) und Mikronährstoffen. Eine Möglichkeit zur K und Mikronährstoffversorgung sind silikatische Gesteinsmehle (SGM). Aufgrund von langsamen Verwitterungsraten wurde jedoch an ihrer agronomischen Effizienz bis zuletzt gezweifelt. Frühere Studien haben allerdings die faktorielle Komplexität des Verwitterungsprozesses nicht ausreichend berücksichtigt, und neue Studien berichten über signifikante Verbesserungen der Bodengesundheit. SGM könnten zudem weitere Umweltnutzen mit sich bringen, da ihre Mischung mit Gülle deren Ammoniak (NH₃) Emissionen reduzieren und deren biophysikalisch-chemischen Eigenschaften verbessern könnnte. Es wurden jedoch bisher weder die Auswirkungen SGM auf die Bodengesundheit noch auf Gülle umfassend analysiert. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es daher, die landwirtschaftliche Nutzung von SGM im Kontext von One Health zu analysieren. Der erste Teil dieser Arbeit beginnt mit einer Erläuterung des Gesundheitsbegriffs im Allgemeinen, und beschreibt die Zusammenhänge zwischen Bodengesundheit und One Health. Danach werden die Potentiale und Probleme hinsichtlich der Operationalisierung von Bodengesundheit diskutiert, und es werden Vorschläge für ihre zukünftige Nutzung gemacht. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Eignung von SGM zur Verbesserung der Bodengesundheit untersucht. Dazu wurde ein Framework mit den wichtigsten Faktoren erstellt, durch den viele widersprüchliche Ergebnisse früherer Studien erklärt werden können. Eine anschließende Analyse von 48 Pflanzenversuchen zeigt das Potenzial von SGM als K und Mikronährstoff-Bodenverbesserer für tropische Böden auf, während der Nutzen für Böden in gemäßigten Zonen nicht eindeutig ist. Es werden verschiedene Nebeneffekte identifiziert, welche die agronomische Gesamteffizienz von SGM erheblich steigern können. Der letzte Teil der Arbeit berichtet über die Auswirkungen der Mischung von zwei Gesteinsmehlen mit Rindergülle. Die SGM erhöhten die CH₄ Emissionsraten der Gülle signifikant, während die Emissionsraten von NH₃, CO₂, und N₂O weitestgehend insignifikant beeinflusst wurden. Die SGM setzten Nährstoffe in der Gülle frei und veränderten dessen Mikrobiologie. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Konzept der Bodengesundheit spezifischer, praxisnäher, und kontextabhängiger operationalisiert werden muss. SGM könnten die Bodengesundheit insbesondere in den humiden Tropen verbessern, und ihre Verwendung könnte zusätzliche Vorteile für One Health mit sich bringen. Das Mischen von SGM mit organischen Materialien wie Gülle könnte das Haupthindernis ihrer geringen Löslichkeit überwinden, obwohl die Auswirkungen auf NH₃- und Treibhausgas-Emissionen weiter untersucht werden müssen.