Sustainable Improvement of Fertility of Acid Arenosols: Application of Phosphate Rock, Dolostone and Biochar

Abstract Tropical acid soils are infertile and low nutrient content. In Mozambique the use of lower fertilizer rates, shifting cultivation, and rain fed agriculture lead to food insecurity and soil deterioration. Implementation of practical, low-cost and result oriented long-term strategies that address the need of poor farmers and for sustainable long-term care of the soil are of paramount importance. Soil application of rock fertilizers/amendments has the advantage of slow nutrient release with benefit of liming. Biochar as organic amendment can improve soil properties and reduce trace metal availability. In this study, we aim to: i) investigate the feasibility of phosphate rock and dolostone; ii) assess the effects of simultaneous application of phosphate rock, dolostone, and biochar on soil fertility improvement; and iii) assess the role of biochars in improving NPK fertilizer efficiency. Laboratory and pot experiments were established to assess the reactivity, nutrients release, and agronomic performance of rocks and biochar with an acid Arenosol. The soils were separated in rhizosphere and bulk soils to understand nutrients and metal dynamics in the soil-plant systems. Soil and plant parameters were determined following standard methods. These rocks are slow release fertilizer and potential source of P, Ca, and Mg with benefit of liming in acid soils. Higher pH in phosphate rock and biochar treatment increased activities of C, N, and P related enzymes. We demonstrated that rhizosphere is an active environment that regulates nutrient availability through activation of extracellular enzymes. Application of phosphate or dolostone to acid Arenosols fails to improve soil fertility, but it dramatically improves if applied in combination with biochar. Therefore, corn and cowpea yield increased dramatically. Cowpea yield was the same with full or half dose of NPK for each biochar type. Yield increase reflect increased profit and food security, but further evaluation on field conditions assessing both agronomic effectiveness and economic benefit is necessary to validate these results.

Sommario I suoli tropicali sono poco fertili a causa della loro acidità e del basso contenuto di nutrienti. In Mozambico il ridotto uso di fertilizzanti, l'agricoltura itinerante e la non irrigazione riducono le rese e deteriorano il suolo. È di primaria importanza intraprendere pratiche a basso costo, orientate verso strategie a lungo termine di un uso sostenibile del suolo. L'applicazione di rocce fosfatiche e dolomite come fertilizzanti/ammendanti ha il vantaggio di un lento rilascio di nutrienti, mentre il biochar è un ammendante organico che può migliorare le proprietà del suolo e ridurre la disponibilità di metalli pesanti. In questo studio, gli scopi sono stati: i) investigare l'impiego di roccia fosfatica e dolomite; ii) valutare l'effetto di una applicazione simultanea di roccia fosfatica, dolomite e biochar sul miglioramento della fertilità del suolo; iii) valutare il ruolo del biochar sul miglioramento dell'efficacia di fertilizzanti NPK. Esperimenti di laboratorio e in vaso hanno permesso di valutare reattività, rilascio di nutrienti e performances agronomiche di rocce e biochar su suoli acidi. Il suolo su cui sono stati svolti gli esperimenti è stato anche separato in bulk e rizosfera per comprendere le dinamiche di nutrient e metallic pesanti nel Sistema suolo-pianta. Le rocce rilasciano lentamente nutrienti quali P, Ca e Mg, e aumentano il pH di suoli acidi. Incrementi di pH e aggiunte di biochar aumentano l'attività di enzimi coinvolti nei cicli di C, N e P. La rizosfera, inoltre, regola la disponibilità di nutrienti attivando enzimi extracellulari. Al contrario, l'applicazione di roccia fosfatica o dolomite non migliora la fertilità del suolo se non in combinazione con biochar. I test sono stati effettuati su mais e fagiolo dall'occhio, le cui rese sono sensibilmente aumentate. Il fagiolo dall'occhio mostra un uguale rendimento con dose intera o dimezzata di NPK per ogni tipo di biochar. L'aumento delle rese si traduce in maggiori profitti e una maggiore sicurezza alimentare. Ulteriori valutazioni in campo sono necessarie per validare i risultati.