Impact of multi-species mixtures and soil type on soil functioning in sown grasslands: a mesocosm experiment

Sintesi Tecnica: Impatto delle Miscele Multi-specie e del Tipo di Suolo sul Funzionamento del Suolo nei Pascoli Seminati

Definizione del Problema
I pascoli gestiti coprono oltre il 30% del territorio agricolo europeo e sono fondamentali per i servizi ecosistemici, tra cui la produzione di foraggio, la regolazione del clima e la biodiversità. Sebbene la transizione dalle monoculture di lolium perenne (Lolium perenne) verso miscele multi-specie sia proposta per migliorare la produttività e la salute del suolo sotto i cambiamenti climatici, gli effetti specifici di queste miscele sul funzionamento del suolo sottosuolo rimangono scarsamente quantificati in contesti commerciali. La letteratura esistente si concentra spesso sui risultati sopra il suolo o su condizioni semi-naturali, lasciando una lacuna nella comprensione di come la composizione della miscela di erbe interagisca con i fattori edafici (tipo di suolo) e le pratiche di gestione (frequenza di rimozione della biomassa) per influenzare la produttività, i flussi di gas serra (GHG) e la diversità funzionale microbica.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un esperimento in mesocosmo a fattore completo condotto per quattro mesi in una serra a temperatura controllata. Il disegno sperimentale includeva:

• Trattamenti: Sono stati manipolati tre fattori:
  1. Miscela di Erbe: Una monocultura di lolium perenne rispetto a una miscela multi-specie commerciale (contenente graminacee, leguminose ed erbe).
  2. Tipo di Suolo: Loam sabbioso (Plaggic Anthrosol) e loam siltoso (Haplic Luvisol).
  3. Rimozione della Biomassa: Tre frequenze che simulano le intensità di pascolo: intensiva (ogni 4 giorni), rotazionale (2 giorni di taglio, 2 settimane di riposo) ed estensiva (ogni 2 settimane).
• Replicazione: Sono stati stabiliti 66 mesocosmi (cilindri in PVC, 16 cm di diametro, 30 cm di altezza) con 5 repliche per combinazione di trattamento, più mesocosmi di controllo senza vegetazione.
• Misurazioni:
  • Produttività: La biomassa sopra il suolo è stata raccolta ad ogni taglio; la biomassa sotto il suolo è stata misurata tramite l'estrazione delle radici da carote di suolo al termine dell'esperimento.
  • Flussi di GHG: Le misurazioni settimanali di CO₂, CH₄ e N₂O sono state effettuate utilizzando camere intelligenti LI-COR. I flussi sono stati analizzati sia come valori assoluti che standardizzati rispetto alle scorte di carbonio organico del suolo (SOC) o di azoto.
  • Funzione Microbica: La diversità catabolica funzionale è stata valutata utilizzando le piastre Biolog EcoPlate per profilare il potenziale metabolico delle comunità batteriche coltivabili.
• Analisi: I dati sono stati analizzati tramite ANOVA, Modelli Lineari Misti (LMM) per tenere conto delle misure ripetute e degli effetti fissi (tipo di suolo, miscela, gestione, variabili climatiche), e modelli Random Forest con valori SHAP (Shapley Additive Explanations) per identificare relazioni non lineari e l'importanza delle variabili.

Risultati Chiave

• Produttività: Le miscele multi-specie hanno costantemente superato le monoculture di ryegrass sia in termini di biomassa sopra il suolo (4,91 g rispetto a 4,02 g) che sotto il suolo (7,40 g rispetto a 1,74 g). Questo effetto è stato indipendente dal tipo di suolo. Il taglio intensivo ha ridotto la resa sopra il suolo ma non ha alterato significativamente il rapporto radice:germoglio.
• Flussi di Gas Serra (GHG):
  • CO₂: Le emissioni sono state significativamente più elevate nelle miscele multi-specie. I flussi sono stati guidati dalla miscela di erbe, dal tipo di suolo, dalla temperatura e dalla durata del giorno. L'analisi SHAP ha rivelato un effetto temperatura non lineare, con impatti positivi sui flussi osservati al di sotto di 17,6 °C e al di sopra di 22,0 °C, ma un'associazione negativa tra 17,6 °C e 22,0 °C.
  • CH₄ e N₂O: Le miscele multi-specie hanno aumentato le emissioni di entrambi i gas rispetto alle monoculture. I flussi di CH₄ erano governati principalmente dal tipo di suolo, dalla miscela di erbe e dal contenuto d'acqua del suolo. I flussi di N₂O erano determinati dal tipo di suolo, dalla miscela di erbe e dalla durata del giorno.
  • La standardizzazione dei flussi per contenuto di SOC o N ha spesso eliminato le differenze tra i tipi di suolo, suggerendo che le differenze di texture nei flussi assoluti fossero largamente dovute alla disponibilità di carbonio/azoto piuttosto che a cambiamenti nell'efficienza a livello di processo.
• Funzione Microbica:
  • Sia la miscela di erbe che il tipo di suolo hanno plasmato significativamente la diversità catabolica funzionale batterica, con la miscela di erbe che spiegava una quantità di varianza comparabile al tipo di suolo.
  • Le miscele multi-specie hanno mostrato una maggiore attività catabolica per i carboidrati semplici, ma hanno mostrato valori di Average Well Color Development (AWCD) inferiori rispetto alle monoculture. Ciò suggerisce che, sebbene l'attività microbica sia elevata, la specifica diversità di utilizzo del carbonio subisce uno spostamento, potenzialmente guidato dall'aumentata rizosfera e dagli essudati radicali nelle miscele diversificate.
  • La frequenza di rimozione della biomassa ha avuto un effetto minore sulla diversità microbica rispetto alla comunità vegetale e al tipo di suolo.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che la semina di miscele di erbe multi-specie migliora costantemente il funzionamento del suolo sottosuolo in termini di produzione di biomassa, attività microbica e scambio di GHG. Lo studio dimostra che la miscela di erba è un driver primario di questi processi, spiegando spesso tanta varianza quanto il tipo di suolo stesso.

Il documento pone l'ipotesi che questi risultati supportino il potenziale delle misole multi-specie per migliorare la produttività e i processi del suolo nei futuri sistemi di pascolo multifunzionali. Tuttavia, gli autori mantengono un tono modesto riguardo alle implicazioni più ampie, osservando che l'allestimento in mesocosmi, pur essendo controllato, impone vincoli sul volume radicale e sulla rappresentatività stagionale. Di conseguenza, essi sottolineano che i loro risultati evidenziano la necessità di strategie di gestione consapevoli del contesto e richiedono una validazione sul campo a lungo termine per confermare questi risultati in condizioni reali, in particolare riguardo alle interazioni con la fertilizzazione e il pascolo estremo. Lo studio conclude che, sebbene le miscele multi-specie siano una via percorribile per migliorare i servizi ecosistemici, la loro efficacia è modulata dalla complessa interazione tra il contesto del suolo e l'intensità della gestione.