Soil indicators set up to assess sustainable management in various agricultural and forest ecosystems

Abstract

The role of sustainable soil management is the promotion of soil quality by maintaining and enhancing soil ecosystem functions and services. Changes of soil quality over time in a short- medium and long-term represent a tool to evaluate if the management strategies can be considered sustainable. The overall aim of the thesis was to focus on the most sensitive soil quality indicators in order to assess sustainable management in both agricultural and forest ecosystems. Therefore, the main question posed was which soil indicators were more effective in discriminating between management practices. Four case studies were chosen considering, both agricultural and forest ecosystems, focusing on specific soil indicators for each ecosystem. Firstly, soil chemical and biological quality indicators were assessed separately along four case studies according to specific aims such as: (i) soil ecological impact of tillage and the use of subsidiary crops; (ii) organic versus agricultural management in a long-term experiment; (iii) impact of Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) reforestations on soil chemical and biochemical properties; (iv) effect of past Beech tree (Fagus sylvatica L.) forest management on soil carbon sequestration and microbial diversity. Secondly, among the common soil chemical and biochemical properties assessed across the four case studies, the most sensitive indicators of soil management were selected for a final further statistical analysis. In the statistical model applied, soil pH and nitrogen pools (total and extractable) were chosen as independent variables. Soil pH is considered an intrinsic quality of soil that is less influenced by the soil management practices whereas the pools of nitrogen are usually more sensitive to management practices and indirectly could link the soil biochemical properties to the type of management applied. Furthermore, the dependent variables in the model were the soil specific enzyme activities (expressed per unit of carbon) and microbial quotient were tested in their sensitivity to discriminate between different management practices. Additionally, a fifth study case was considered in order to evaluate the soil microbial biomass functional diversity with respect to different soil categories and managements. In this case, the Shannon’s diversity index assessed with two types of methodologies (enzyme assays and Microresp®) was compared across a gradient of soil pH and organic carbon content. The results obtained in the short term trials of agroecosystem showed that soil chemical properties (total organic carbon and total nitrogen) were not affected by the management. Conversely, the biological indicators such as microbial quotient and specific enzyme activities were significantly influenced by tillage and by the use of subsidiary crops. Furthermore, in the long-term trials of agricultural soil, organic systems and reduced tillage management practices positively influenced soil chemical properties in terms of soil total organic carbon, and enhanced the size and activity of soil microbial biomass. In forest ecosystems, soil chemical and biochemical properties changed with respect to the different tree stand ages and the type of forest management practices. In the case of different stands age of Douglas fir, the soil microbial size and activity was generally higher in the oldest stands, probably because they were affected by a nitrogen limitation. In the case of the Beech tree forest stands the heterogeneous forest structure given by previous forest management practices had significant effect on soil carbon sequestration and also on soil microbial functional and structural diversity. The overall analysis conducted on the data of the common soil indicators across the four case studies showed that specific enzyme activities (expressed per unit of organic carbon) and microbial quotient can be considered sensitive indicators depending on soil pH in both agricultural and forest ecosystems. Conversely, the selected bioindicators became sensitive to soil management with respect to nitrogen availability only in the agroecosystems. The soil microbial functional diversity calculated as Shannon’s index (H’) using the data from the community level physiological profiles proved to be more sensitive to land use and management practices than H’ calculated using enzyme activity patterns. In this study the identification of the most sensitive indicators of soil management was limited to soil characteristics such as: pH, organic carbon and different nitrogen pools studied in relation to soil bioindicators. For future studies this approach could be extended to other soil characteristics such as texture considering them as independent variables in the statistical models.

Il ruolo della gestione sostenibile del suolo è la promozione della sua qualità attraverso il mantenimento e miglioramento delle funzioni e dei servizi ecosistemici del suolo. I cambiamenti della qualità del suolo nel breve-medio e lungo periodo rappresentano uno strumento di valutazione se le strategie di gestione possano essere considerate sostenibili. L'obiettivo della tesi è stato quello di individuare gli indicatori di qualità del suolo più sensibili al fine di valutare la gestione sostenibile sia in ecosistemi agricoli e forestali. Pertanto, l’obiettivo principale era individuare quali indicatori del suolo erano più efficaci nella discriminazione tra le pratiche di management. Sono stati scelti quattro casi studio considerando sia ecosistemi agricoli che forestali, focalizzando lo studio sull’individuazione di specifici indicatori per ogni ecosistema. Inizialmente, sono stati assegnati indicatori di qualità chimica e biologica del suolo sui seguenti casi di studio: (i) impatto della lavorazione del terreno e dell'uso di colture di copertura sulla qualità del suolo; (ii) impatto sulla qualità del suolo in un sistema agrario organico rispetto a sistema conventionale in un esperimento a lungo termine; (iii) l'impatto dei rimboschimenti con Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (mirb) Franco) sulle proprietà biochimiche chimiche del suolo e; (iv) effetto della gestione delle faggete (Fagus sylvatica L.) sul sequestro del carbonio nel suolo e sella diversità microbica. Secondariamente, tra le proprietà chimiche e biochimiche del suolo investigate, sono stati selezionati per un’ulteriore analisi statistica finale gli indicatori più sensibili della gestione del suolo. Nei modelli statistici applicati, pH del terreno e le varie frazioni dell’azoto (totale e estraibili) sono stati scelte come variabili indipendenti. Il pH del suolo è considerato come una qualità intrinseca del suolo che è meno influenzata dalle pratiche di gestione del suolo; le varie frazioni di azoto sono generalmente più sensibili alle pratiche di gestione e indirettamente possono collegare le proprietà biochimiche di terreno con il tipo di gestione applicato. Inoltre, sono stati testati per la loro sensibilità di discriminare tra le diverse pratiche di gestione le seguenti variabili dipendenti: le attività enzimatiche specifiche del suolo (espresso per unità di carbonio) e il quoziente microbico. Inoltre, un quinto caso studio è stato considerato per valutare la diversità funzionale della biomassa microbica rispetto a varie categorie di terreno e di gestioni. In questo caso, l’indice di diversità Shannon valutato con due tipi di metodologie (saggi enzimatici e Microresp®) è stato confrontato attraverso un gradiente di pH del terreno e del contenuto di carbonio organico. I risultati ottenuti nelle prove di management a breve termine negli agro-ecosistema hanno dimostrato che le proprietà chimiche del suolo (carbonio organico totale e di azoto totale) non sono stati influenzati dalla varie gestioni. Viceversa, gli indicatori biologici come quoziente microbico e attività enzimatiche specifiche sono stati significativamente influenzati dal livello di lavorazione e l'uso di colture di copertura. Inoltre, negli studi a lungo termine di suolo agricolo, i sistemi organici e le pratiche di lavorazione ridotta del terreno hanno influenzato positivamente le proprietà chimiche del suolo in termini di terreno carbonio organico totale, e hanno migliorato la dimensione e l'attività della biomassa microbica del suolo. Negli ecosistemi forestali, le proprietà chimiche e biochimiche del suolo sono cambiate rispetto alle diverse età del bosco e il tipo di pratiche di gestione forestale. Nel caso di diversi stand di'età del Douglas fir, la dimensione e l'attività microbica del suolo era generalmente più elevata nei boschi piu vecchi, probabilmente perché sono stati colpiti anche da una limitazione di azoto. Nel caso di un bosco di faggio si trova la struttura del bosco eterogenea data dalle precedenti pratiche di gestione forestale che hanno avuto un effetto rilevante sul sequestro del carbonio nel suolo ed anche sulla diversità funzionale e strutturale della biomassa microbica del suolo. L'analisi complessiva condotta sui dati degli indicatori comuni del suolo tra i quattro casi studio hanno mostrato che le attività enzimatiche specifiche (espresse per unità di carbonio organico) e il quoziente microbico possono considerarsi indicatori sensibili seconda il pH del suolo sia ecosistemi agricoli e forestali. Al contrario, i bioindicatori selezionati sono diventati sensibili alla gestione del suolo rispetto alla disponibilità di azoto solo negli agroecosistemi. La diversità funzionale microbica del suolo calcolata come l’indice di Shannon (H') utilizzando i dati dei profili fisiologici della comunità microbica hanno dimostrato di essere più sensibili alle pratiche e la gestione di uso del suolo rispetto al H' calcolato utilizzando i dati del’attività enzimatica. In questo studio l'identificazione degli indicatori più sensibili della gestione del suolo è stata limitata alle caratteristiche del suolo come: pH, carbonio organico e varie frazioni di azoto studiate in relazione con i bioindicatori del suolo. Futuri studi di quest’approccio potrebbero essere esteso ad altre caratteristiche del suolo come la tessitura considerandoli variabili indipendenti nei modelli statistici applicati.