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Title: Risposte dei processi biologici del suolo all'elevata [CO2] atmosferica e all'aggiunta di azoto in una piantagione di Populus spp
Other Titles: Responses of soil biological processes to elevated atmospheric [CO2] and nitrogen addition in a poplar plantation
Authors: Lagomarsino, Alessandra
Keywords: Elevata [CO2];Fertilizzazione azotata;Suolo;Processi biologici;Populus spp;Elevated [CO2];N addition;Soil;Biological processes;Carbon;Carbonio;AGR/05
Issue Date: 15-Mar-2006
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 18. ciclo
Abstract: 
Questa tesi è stata realizzata nell’ambito del progetto POPFACE-EUROFACE “ricerca integrata per lo studio delle risposte funzionali di una piantagione multiclonale di pioppo all’attuale e futura concentrazione di CO2 atmosferica”. La tecnologia FACE (Free Air CO2 Enrichment) è stata usata per esporre la piantagione all’elevata [CO2] atmosferica.
Il lavoro è stato incentrato sull’impatto dell’elevata [CO2] sui processi biologici del suolo e sul ruolo da essi sostenuto i) nel sostenere l’aumento di produttività delle piante e ii) nel determinare l’accumulo di carbonio nel suolo.
L’effetto dell’elevata [CO2] sul suolo è mediato dagli input vegetali, provenienti da lettiera e rizodeposizioni, e cambiamenti nella quantità e qualità di tali input possono influire sul sistema biologico suolo e sul suo metabolismo, cha possono a loro volta determinare un feedback sulla [CO2] atmosferica. Inoltre, la fertilità del suolo può avere un ruolo importante nel determinare la direzione di tali processi; è stato quindi approfondito lo studio delle interazioni tra i trattamenti di elevata [CO2] e fertilizzazione azotata.
Le principali conclusioni di questa tesi sono le seguenti:
- La diminuzione della quantità di azoto totale nel suolo e la competione tra piante e miroorganismi per i nutrienti hanno favorito l’immobilizzazione microbica di N. La diminuzione dei tassi di nitrificazione e di mineralizzazione hanno determinato una riduzione della disponibilità di N-NO3- nel suolo. Sebbene la diminuzione di azoto totale in conseguenza dell’arricchimento di [CO2] abbia agito in modo simile nei suoli fertilizzati e non, la riduzione dei nitrati in elevata [CO2] è stata in parte compensata dall’interazione positiva con il trattamento di fertilizzazione. Una più intensa attività di mineralizzazione ha indotto un aumento di N-NO3- nei suoli FACE fertilizzati, in maniera più evidente in P. nigra.
- L’aumento di diversi enzimi ha indicato una più elevata domanda di nutrenti in elevata [CO2], che ha determinato un generale incremento dell’attività biologica per mantenere una sufficiente disponibilità di azoto, fosforo e zolfo. L’aumento della sintesi enzimatica è stato indotto da un incremento generale dei processi microbici in conseguenza dell’attività vegetale, come confermato dale diverse risposte ottenute per i tre cloni.
- La capacità di scambio cationico è aumentata nel secondo ciclo a seguito dell’impatto positivo della piantagione sulla sostanza organica del suolo. In elevata [CO2] l’aumento è stato anche più consistente, ed è stato sostenuto da un più alto rapporto C/N della sostanza organica labile, dall’aumento della biomassa radicale e fungina, dall’elevata attività rizosferica.
- L’incremento di [CO2] atmosferica ha determinato un aumento di tutte le frazioni labile e del rapporto C/N, indicando una minore qualità dei composti facilmente decomponibili
- La frazione più recalcitrante e il carbonio organico totale non sono stati influenzati dai trattamenti. L’assenza di effetti è da imputarsi alla difficoltà di misurare piccoli cambiamenti rispetto al grande contenuto di C del suolo nel breve periodo, e non esclude modificazioni di più lungo termine.
- La grande disponibilità di C per i microorganismi in elevata [CO2] ha favorito l’aumento del C della biomassa microbica grazie ad un metabolismo meno dispendioso, riflettendo più un aumento delle dimensioni cellulari che una reale proliferazione microbica. La relazione positiva tra C microbico e C solubile suggerisce infatti che almeno parte del surplus di C è stato immobilizzato ed utilizzato per la crescita microbica, invece che respirato e rilasciato nuovamente nell’atmosfera. L’elevata [CO2] ha indotto una crescita preferenziale dei funghi, dovuta all’aumento nella quantità ma alla diminuzione della qualità degli input vegetali, che ha favorito quelle popolazioni più efficienti nell’utilizzare i substrati disponibili.
- Il trattamento di fertilizzazione non ha indotto cambiamenti nelle dimensioni della comunità microbica, ma ha influenzato la composizione specifica e ha diminuito la biodiversità fungina. Inoltre l’immobilizzazione microbica di N è stata favorita solo in durante la somministrazione del fertilizzante. Di conseguenza il rapporto C/N della biomassa microbica è dimunuito, favorendo nel breve termine popolazioni a rapida crescita e con tassi metabolici più elevati.
- L’interazione tra l’arricchimento di [CO2] atmosferica e la fertilizzazione azotata ha selezionato differenti comunità fungine senza diminuire la biodiversità, e la contemporanea disponibilità di C e N ha permesso tassi metabolici più elevati, in particolare nei suoli di P. nigra.
- Nella piantagione le componenti della respirazione auto- ed eterotrofa hanno contribuito in ugual misura al flusso di CO2 dal suolo, e la frazione radicale è stata in media il 48% del totale. L’apporto di C labile, attraverso gli input dalla lettiera e dalle radici, ha determinato i tassi di respirazione e le fluttuazioni annuali nella piantagione.
- L’aumento del flusso di CO2 dal suolo a seguito dell’arricchimento di [CO2] è stato continuo nel tempo, e nel secondo ciclo è stato sostenuto dalla grande disponibilità di substrati decomponibili.
- L’aumento delle emissioni di CO2 dal suolo dalle due componenti auto- ed eterotrofa è stato determinato dall’incremento dell’attività fotosintetica delle piante, dall’aumento della produttività ipogea e dal conseguente flusso di C dalle piante al suolo. Il conseguente aumento dell’attività rizosferica, comprendente radici e microorganismi della rizosfera, ha determinato tassi più elevati nei suoli FACE.
- L’aumento di biomassa radicale e di composti carboniosi labili, ha indotto tassi respiratori più elevati solo nella rizosfera, come dimostrato dall’assenza di modificazioni a carico della respirazione microbica potenziale senza la diretta influenza radicale. La bassa qualità delle frazioni di C labili e le conseguenti modificazioni a carico delle comunità microbiche, ha favorito la presenza di una biomassa microbica più efficiente, dominata dalle popolazioni fungine, e caratterizzata da un metabolismo più lento.
- Da queste evidenze si può concludere che l’incremento della respirazione auto- ed eterotrofa a seguito dell’arricchimento della [CO2] atmosferica, è stato bilanciato dall’aumento degli input di C dalle piante. L’aumento delle frazioni labili è il risultato netto di tali processi, ad indicare un possibile aumento dell’accumulo di C nel suolo nel più lungo termine.

This thesis was realized in the frame of the POPFACE-EUROFACE project “an integrated research to determine the functional responses of a cultivated, agro-forestry system, namely a multiclonal poplar plantation, to actual and future atmospheric CO2 concentrations”. FACE (Free Air CO2 Enrichment) technology was used to expose the poplar plantation to elevated atmospheric CO2 concentrations.
The work focused on the impact of elevated [CO2] on soil biological processes and on their role in i) sustaining the increase in plant production and ii) determining the C storage in soil.
The effect of elevated [CO2] on soil is mediated by plants input, from litter and rhizodeposition, and changing quality and quantity of these inputs will affect the soil biota and its metabolism, that in turn can create a feedback on the atmospheric [CO2]. Furthermore, the soil nutrient status might have a main role in determining the direction of these processes, and the study of interactions between elevated [CO2] and N fertilization was included in this work.
The main conclusions of this thesis were the following:
- The total nitrogen in soil decreased under elevated [CO2] and the consequent plants-microbes competition for nitrogen favored microbial N immobilization. The decrease of nitrification and mineralization rates under elevated [CO2] resulted in fact in a lower N-NO3- availability in soil. Although the negative effect of [CO2] enrichment on total N soil content acted similarly in fertilized and not fertilized soil, the decrease of nitrates under elevated [CO2] was partly compensated by the positive interaction with the fertilization treatment. A more intense microbial mineralization activity induced in fact a N-NO3- increase in FACE fertilized soil, more evident in P. nigra.
- The increase of several extracellular enzymes indicated a greater soil nutrient requirement under elevated [CO2]. This resulted in a general enhancement of soil biological activity in order to maintain an adequate supply of nitrogen, sulphur and phosphorus in soil. The greater enzymatic synthesis was indeed related to a general enhancement of microbial processes mediated by plants activity, as confirmed by the different responses of poplar clones.
- Soil cation exchange capacity (CEC) increased during the 2nd rotation cycle, because of the positive impact of the plantation on soil organic matter. Under elevated [CO2] the effect was more pronounced, and was sustained by the higher C/N ratio of labile soil organic matter, the greater root and fungal biomass, and the greater rhizosphere activity.
- Elevated [CO2] resulted in a large increase of all labile C fractions and on the C/N ratio of labile fractions, indicating a lower quality of easily decomposable compounds.
- The recalcitrant C fraction and the total organic C were unaffected by the treatment. The lack of significant changes was indeed related to the difficulty of measuring small changes against the background C-content of the soil in the relative short term of the experiment, and did not exclude longer-term modifications.
- The extra C made available for microbes in elevated [CO2] induced an increase in microbial biomass C sustained by a less energetically expensive metabolism, reflecting more a cell enlargement process than a real microbial proliferation. The relationship between microbial and soluble C suggested in fact that at least part of plants C input was immobilized and used for microbial growth, instead that respired and released back in the atmosphere. Elevated [CO2] induced a preferential stimulation of fungi because of the increase in quantity but decrease in quality of plants input, which favoured a more efficient microbial population in converting substrate into biomass.
- Fertilization treatment did not induce changes in microbial population size, but influenced the fungal community composition and lowered the fungal species richness. Moreover the microbial N immobilization was favoured only in June, during the fertilizer application, therefore lowering the microbial biomass C/N ratio and sustaining in the short-term fast growing microbial communities and higher metabolic rates.
- The interaction between [CO2] enrichment and N addition selected different fungal communities without lowering the species richness, and the utilization of added C compounds was higher in FACE fertilized soil, where the combined C and N availability allowed higher metabolic rates, particularly in P. nigra.
- As general mean, the autotrophic and the heterotrophic components of soil respiration contributed similarly to soil CO2 efflux, and the root-derived CO2 was on average the 48% of the total. Soluble C supply, by means of root and litter production, played a main role in determining soil respiration rates in the plantation, as well as yearly fluctuations.
- The large increase of soil C losses under elevated [CO2] was sustained during years, and after the coppicing a much larger relative stimulation of soil respiration did occur due to the greater availability of roots and decomposable substrates.
- The increase of soil CO2 emissions from both auto- and heterotrophic components was related to the enhancement of plants photosynthetic activity, to the increase in belowground productivity, and to the consequent greater flux of fixed C from plants to soil. The consequent increase of rhizospheric activity, comprehensive of roots and rhizo-microbial respiration, caused higher soil CO2 effluxes in FACE soil.
- Greater root biomass and labile C compounds availability induced higher heterotrophic respiration rates only in the rhizosphere, as demonstrated by the lack of [CO2] enrichment effect on microbial potential respiration in the absence of a direct root influence. A lower quality of labile C pools and the consequent changes in microbial communities selected a more efficient microbial biomass, dominated by fungal populations and characterized by a slower metabolism.
- From these evidences we conclude that the elevated [CO2] enhancement of autotrophic and heterotrophic respiration was more than balanced by the greater C input from plants to soil, and that the increase of labile C fractions was the net result of these processes, suggesting a positive trend of C storage in FACE soil in the longer-term.
Description: 
Corso di dottorato in Ecologia forestale
URI: http://hdl.handle.net/2067/84
Rights: If not otherwise stated, this document is distributed by the Tuscia University Open Archive under a Creative Commons 2.0 Attribution - Noncommercial - Noderivs License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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