CHALLENGES OF CONSERVATION AGRICULTURE ON SILTY SOILS. DISENTANGLING THE EFFECTS OF CONSERVATION PRACTICES ON SOIL ORGANIC CARBON CYCLE AND SOIL PORE NETWORK IN NORTH-EASTERN ITALY

Soil organic matter loss is a widely recognized European soil threat and intensive and repeated tillage operations are known to negatively affect numerous soil properties and ecosystem services. In this view, the study on more sustainable agronomic managements is a pressing need for research community. Between sustainable techniques, conservation agriculture (CA) is nowadays a spread technique based on three main pivotal points: 1) minimum soil disturbance, 2) permanent soil covering and 3) crop diversification. CA is often associated with numerous soil functions such as increasing of soil biodiversity, organic matter stocks and aggregate stability and decreasing of runoff, erosion and P losses and dioxide carbon emissions. Despite the first estimates, CA practices are recently not recognized as a win-win solution for climate mitigation and agro-ecosystem improvement because the absence of tillage operations may impact the crop root growth through an increase in soil strength and bulk density, and reduce soil porosity and gas exchanges and lastly, the overall benefits of CA have been strictly related to soil type and climate. Within this viewpoint of not consistent results, more research is needed to understand and optimize the potential of sustainable agronomic practices. For these reasons, in this work, a field experiment was conducted including four farms on the low-lying plain of Veneto Region characterized by silty soils, in which conservation agriculture practices (no-tillage, cover crops and residues retention) were applied and compared to conventional tillage system. The first objective of the thesis was to evaluate the effects of CA practices on C cycle. The soil organic carbon (SOC) evolution in terms of both stock quantity and quality was monitored over a 3-yr transition period. The SOC stock was quantified through an equivalent soil mass approach up to 50 cm depth while the influence of each CA component was disentangled considering crop, cover crop and root biomasses, and tillage type as separate factors. The SOC quality was evaluated through humic carbon, its molecular weight distribution and microbial biomass analyses. The study showed that after short period, CA adoption did not increase C stock but rather its distribution within the soil profile while a positive effect was observed on humic carbon with the production of more polycondensed humic substances. The second objective regarded the evaluation of the soil gas exchange properties in the poorly structured silty soils of the low-lying plain. The effect of conservation agriculture practices on soil pore and gas transport characteristics was studied through the analyses of air permeability, gas diffusivity and air-filled porosity, and the derivation of soil structure indices on 144 undisturbed 100 cm3 soil cores. Gas transport measurements highlighted low transmission properties of the silty soils independently from agronomic management leading to critical value for both soil aeration and microbial aerobic activity. The third objective focused on the characterisation of the soil structure evolution after 5-yr of conservation agriculture management adoption. The soil pore network was quantified coupling mercury intrusion porosimetry and x-ray micro-tomography to study the total porosity and size distribution, from the macro- to the ultramicro- scale, and its architecture, on 96 undisturbed soil samples collected in the field experiment. Results suggested that silty soils of Veneto plain are micro-structured since much of the porosity is in the 0.0074-30 μm range and CA practices showed a positive influence on the ultramicroporosity range (0.1-5 μm) which are strictly linked to SOC stabilization. Concluding, silty soils of the Veneto region low-lying plain showed a slow reaction to conservation agriculture practices, as demonstrated by the poor effect on C sequestration, gas-transport characteristics and soil structure improvements. The limited amount of non-complexed organic carbon available for interaction with the soil fines prevented the formation of a more resilient soil structure leading to soil compaction that negated the exploitation of CA-related benefits. Despite such mechanisms, CA practices positively influenced C quality and ultramicroporosity range suggesting that a virtuous cycle between SOC and soil structure has been initiated. Longer transition period will be needed to reach a favourable equilibrium in the CA systems and more studies elucidating the mechanisms of structure improving conditions for silty soils, such as those examined in this study, are also required.

La perdita di sostanza organica è una delle minacce del suolo riconosciute a livello europeo e le ripetute lavorazioni del terreno sono state connesse con alcuni effetti negativi sulle proprietà del suolo e con i relativi servizi ecosistemici. Per questo, lo studio di pratiche agronomiche più sostenibili rappresenta una sfida per l’intera comunità scientifica. Tra le tecniche agronomiche sostenibili, l’agricoltura conservativa (AC) è una pratica ampiamente diffusa che è basata su tre principi cardine: 1) minimo disturbo del suolo, 2) copertura permanente del terreo e 3) diversificazione delle colture. AC è spesso associata a numerose funzioni del suolo quali l’aumento della biodiversità, dello stock di carbonio organico e della stabilità degli aggregati e la riduzione del runoff, dell’erosione, delle lisciviazioni di P e delle emissioni di anidride carbonica. Nonostante ciò, recentemente AC non è sempre considerata come una soluzione vincente per la mitigazione del clima e per il miglioramento dell’agroecosistema in quanto l’assenza delle lavorazioni del terreno possono influenzare negativamente lo sviluppo radicale mediante un aumento della densità e della resistenza del suolo e mediante una diminuzione della porosità e degli scambi gassosi. Per di più, i benefici delle pratiche conservative sono riconosciuti essere strettamente legati al tipo di clima e suolo. In quest’ottica di risultati contrastanti, maggiori studi sono necessari per studiare e ottimizzare le potenzialità di pratiche agronomiche più sostenibili. Per questi motivi, in questa tesi, è stata condotta una prova di campo comprendente quattro aziende agricole della bassa pianura Veneta caratterizzate da suoli limosi nei quali le pratiche conservative (non lavorazione, cover-crop e ritenzione dei residui) sono state adottate e confrontate con quelle tradizionali. Il primo obiettivo di questa tesi è stato quello di valutare gli effetti di AC sul ciclo del C. In particolare è stata valutata l’evoluzione del carbonio organico del suolo (COS) sia in termini quantitativi che qualitativi durante un periodo di transizione di tre anni. Lo stock di COS è stato quantificato mediante l’applicazione della massa equivalente fino a 50 cm di profondità mentre l’effetto delle diverse componenti del trattamento conservativo è stato studiato considerando le biomasse delle colture, delle cover-crop e degli apparati radicali e il tipo di lavorazione come fattori separati. La qualità del COS è stata invece caratterizzata analizzando il carbonio umico, le sue frazioni in peso e la biomassa microbica. Questo studio ha mostrato come dopo un breve periodo di applicazione di tali pratiche, lo stock di COS nel suolo non sia aumentato mostrando piuttosto una diversa ripartizione lungo il profilo. La qualità del carbonio organico ha invece beneficiato delle pratiche conservative con la produzione di sostanze umiche più policondensate. Il secondo obiettivo ha riguardato lo studio dell’influenza di AC sugli scambi gassosi del suolo mediante l’analisi della permeabilità all’aria, della diffusione, della air-filled porosity e mediante la derivazione di indici di struttura su 144 campioni indisturbati di suolo di 100 cm3. Le analisi hanno evidenziato le scarse proprietà di trasmissione dei suoli limosi indipendentemente dalla pratica agronomica adottata che hanno portato al raggiungimento di valori critici sia per l’aerazione del terreno che per le attività microbiche aerobiche. Il terzo obiettivo si è focalizzato sulla caratterizzazione dell’evoluzione della struttura del suolo dopo cinque anni dall’adozione delle pratiche di AC. La porosità del suolo è stata analizzata sia mediante l’utilizzo di microtomografie a raggi-x che di porosimetrie a intrusione di mercurio. La porosità totale, la distribuzione dei pori (dalla macro- alla micro-scala) e l’architettura dei pori sono state quantificate su 96 campioni indisturbati raccolti nelle quattro aziende sperimentali. I risultati hanno mostrato come i suoli limosi del Veneto siano “microstrutturati” in quanto la maggior parte della porosità ricade nel range 0.0074-30 μm e come le pratiche conservative abbiano positivamente influenzato la ultramicroporosità (0.1-5 μm) che è strettamente legata alla protezione della sostanza organica. Concludendo, come evidenziato dallo scarso effetto sul sequestro del C, sugli scambi gassosi e sulla struttura del terreno, i suoli limosi della bassa pianura Veneta hanno mostrato una lenta reazione alle pratiche conservative. Lo scarso contenuto di COS non complessato disponibile all’interazione con le particelle fini del terreno ha ostacolato la formazione di una struttura stabile portando al compattamento del suolo. Nonostante ciò, le pratiche conservative hanno però positivamente influenzato la qualità del C e la ultramicroporosità suggerendo che un ciclo virtuoso tra sostanza organica e struttura del suolo è stato inizializzato. Un periodo di transizione di più lunga durata sembra essere indispensabile per il raggiungimento di un nuovo equilibrio in sistemi conservativi e più studi sui meccanismi che regolano la struttura in suoli limosi risultano inoltre necessari.