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

Resumo Técnico: Impacto de Misturas de Múltiplas Espécies e Tipo de Solo no Funcionamento do Solo em Pastagens Cultivadas

Definição do Problema
As pastagens geridas cobrem mais de 30% das terras agrícolas europeias e são críticas para os serviços ecossistêmicos, incluindo a produção de ração, regulação climática e biodiversidade. Embora a transição de monoculturas de erva-doce (Lolium perenne) para misturas de múltiplas espécies seja proposta para aumentar a produtividade e a saúde do solo sob mudanças climáticas, os efeitos específicos destas misturas sobre o funcionamento do solo abaixo do nível do solo permanecem mal quantificados em contextos comerciais. A literatura existente foca frequentemente em resultados acima do solo ou em condições seminaturais, deixando uma lacuna na compreensão de como a composição da mistura de gramíneas interage com fatores edáficos (tipo de solo) e práticas de gestão (frequência de remoção de biomassa) para influenciar a produtividade, os fluxos de gases de efeito estufa (GEE) e a diversidade funcional microbiana.

Metodologia
O estudo empregou um experimento de mesocosmos fatorial completo realizado durante quatro meses num ambiente controlado de estufa. O desenho experimental incluiu:

• Tratamentos: Três fatores foram manipulados:
  1. Mistura de Gramíneas: Uma monocultura de erva-doce versus uma mistura comercial de múltiplas espécies (contendo gramíneas, leguminosas e ervas).
  2. Tipo de Solo: Franco-arenoso (Plaggic Anthrosol) e franco-siltoso (Haplic Luvisol).
  3. Remoção de Biomassa: Três frequências mimetizando intensidades de pastoreio: intensiva (a cada 4 dias), rotacional (2 dias de corte, 2 semanas de descanso) e extensiva (a cada 2 semanas).
• Replicação: 66 mesocosmos (cilindros de PVC, 16 cm de diâmetro, 30 cm de altura) foram estabelecidos com 5 réplicas por combinação de tratamento, além de mesocosmos de controlo sem vegetação.
• Medições:
  • Produtividade: A biomassa acima do solo foi recolhida em cada corte; a biomassa abaixo do solo foi medida via colheita de raízes a partir de núcleos de solo ao final do experimento.
  • Fluxos de GEE: Medições semanais de CO₂, CH₄ e N₂O foram realizadas utilizando câmaras inteligentes LI-COR. Os fluxos foram analisados tanto como valores absolutos quanto padronizados em relação aos estoques de carbono orgânico do solo (COS) ou nitrogénio.
  • Função Microbiana: A diversidade catabólica funcional foi avaliada utilizando Biolog EcoPlates para perfilar o potencial metabólico das comunidades bacterianas cultiváveis.
• Análise: Os dados foram analisados através de ANOVA, Modelos Lineares Mistos (LMMs) para considerar medidas repetidas e efeitos fixos (tipo de solo, mistura, gestão, variáveis climáticas), e modelos de Random Forest com valores SHAP (Shapley Additive Explanations) para identificar relações não lineares e importância das variáveis.

Principais Resultados

• Produtividade: Misturas de múltiplas espécies superaram consistentemente as monoculturas de erva-doce tanto em biomassa acima do solo (4,91 g vs. 4,02 g) quanto abaixo do solo (7,40 g vs. 1,74 g). Este efeito foi independente do tipo de solo. O corte intensivo reduziu o rendimento acima do solo, mas não alterou significativamente a relação raiz:parte aérea.
• Fluxos de Gases de Efeito Estufa (GEE):
  • CO₂: As emissões foram significativamente superiores em misturas de múltiplas espécies. Os fluxos foram impulsionados pela mistura de gramíneas, tipo de solo, temperatura e fotoperíodo. A análise SHAP revelou um efeito de temperatura não linear, com impactos positivos nos fluxos observados abaixo de 17,6 °C e acima de 22,0 °C, mas uma associação negativa entre 17,6 °C e 22,0 °C.
  • CH₄ e N₂O: As misturas de múltiplas espécies aumentaram as emissões de ambos os gases em comparação com as monoculturas. Os fluxos de CH₄ foram governados principalmente pelo tipo de solo, mistura de gramíneas e teor de água no solo. Os fluxos de N₂O foram determinados pelo tipo de solo, mistura de gramíneas e fotoperíodo.
  • A padronização dos fluxos pelo COS ou conteúdo de N eliminou frequentemente as diferenças entre os tipos de solo, sugerindo que as diferenças de textura nos fluxos absolutos se deviam largamente à disponibilidade de carbono/nitrogénio e não a mudanças na eficiência ao nível do processo.
• Função Microbiana:
  • Tanto a mistura de gramíneas como o tipo de solo moldaram significativamente a diversidade catabólica funcional bacteriana, sendo que a mistura de gramíneas explicou uma quantidade de variância comparável à do tipo de solo.
  • As misturas de múltiplas espécies exibiram maior atividade catabólica para carboidratos simples, mas apresentaram valores de Desenvolvimento Médio de Cor de Poço (AWCD) inferiores às monoculturas. Isto sugere que, embora a atividade microbiana seja elevada, a diversidade específica de utilização de carbono sofre alterações, potencialmente impulsionadas pelo aumento da rizosferização e de exsudatos radiculares em misturas diversas.
  • A frequência de remoção de biomassa teve um efeito menor na diversidade microbiana em comparação com a comunidade vegetal e o tipo de solo.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que a semeadura de misturas de gramíneas de múltiplas espécies melhora consistentemente o funcionamento do solo abaixo do nível do solo em termos de produção de biomassa, atividade microbiana e troca de GEE. O estudo demonstra que a mistura de gramíneas é um motor primário destes processos, explicando frequentemente tanta variância como o próprio tipo de solo.

O artigo postula que estas descobertas apoiam o potencial das misturas de gramíneas de múltiplas espécies para melhorar a produtividade e os processos do solo em futuros sistemas de pastagens multifuncionais. No entanto, os autores mantêm um tom modesto quanto às implicações mais amplas, observando que a configuração de mesocosmos, embora controlada, impõe restrições ao volume radicular e à representatividade sazonal. Consequentemente, enfatizam que os seus resultados destacam a necessidade de estratégias de gestão conscientes do contexto e apelam para a validação de campo a longo prazo para confirmar estas descobertas sob condições reais, particularmente no que diz respeito às interações com fertilização e pastoreio extremo. O estudo conclui que, embora as misturas de múltiplas espécies sejam uma via viável para melhorar os serviços ecossistémicos, a sua eficácia é modulada pela complexa interação entre o contexto do solo e a intensidade da gestão.