Innovations to enhance ecosystem services in mediterranean forage-cereal system

In rainfed areas of Central Italy a conventional crop rotation includes a long-lasting meadow interrupted by 2-3 years of cereal crops. The decision when to interrupt the meadow and to start the cereal cropping influences the ecosystem services (ES) that are provided by this forage-crop system. The present research wanted to investigate which practices can be adopted to manage this transition from a point of view of climate change mitigation and other ES. Three field experiments were carried out with this scope: The 1st experiment wanted to evaluate whether alfalfa meadow interruption in Mediterranean climate is convenient compared to its prolongation over the 6th year in terms of ES. I wanted to find out if its ES benefits can be replaced by the addition of a high rate of biochar addition before the growing of 2 successive wheat crops. Twelve ES services were examined. Alfalfa prolongation appeared to be the best choice to provide the highest number of ES. Biochar addition after alfalfa interruption didn’t show any significant increase of the ES, nor on plant biodiversity, which always resulted higher in alfalfa crop. The 2nd experiment compared N2O soil emission at the end of alfalfa by tillage followed by wheat growing with the continuation of a long-term alfalfa. The results indicated that tillage provoked a greater N2O emission (0.37 g N-N2O ha-1h-1) than that from undisturbed alfalfa (0.14 g N-N2O ha-1h-1). But this greater emission didn’t last long; after one year the emissions of the 2 options were similar. In conclusion, to reduce the GHGs emission linked to alfalfa termination it is recommended to delay the tillage under of alfalfa vegetation in the autumn, soon before wheat sowing. The 3rd experiment was carried out to determine if biochar addition can reduce the detrimental effects of alfalfa termination linked both to GHG emission and to pedological properties. For this scope I studied how a high rate of biochar (60 Mg ha-1) influences the soil characteristics and the behavior of 12 soil enzymes linked to the main element cycles in the soil. The comparison was made in the 2 wheat crops which were grown subsequently after alfalfa interruption. The results showed a slight tendency of biochar to promote soil aggregate stability and an increase of soil organic matter. Biochar incorporation, in the short term, had no effect on soil pH, Total N, available P and wheat yields. Biochar didn’t influence the enzymes, perhaps because of its alkalinity. Conversely tillage for wheat sowing and biochar incorporation resulted in an increased enzyme activity, mainly of those linked to carbon cycle. As a conclusion, the results confirm the beneficial effects of rainfed alfalfa meadow, which appeared the best crop even if it is kept for more than 6 years. The forage production might decrease, but the ES that it provides, are always higher than those of a cereal-based system. To terminate alfalfa (because of a drastic yield reduction of forage quantity), it’s better to delay the ploughing for wheat late in the season, to reduce the N2O emission. Biochar addition might replace some of the benefits of alfalfa, but this research, didn’t reveal any significant effect of biochar on the enzyme dynamic, probably because it was a woody, alkaline, high temperature biochar spread on an alkaline soil. Instead, it showed an influence on some physical chemical soil characteristics (aggregate stability and soil organic matter build up) that, if confirmed in the long term, can be of paramount importance on the hills of Mediterranean area.

Nelle aree del Centro Italia una rotazione colturale convenzionale prevede un prato di lunga durata interrotto da 2-3 anni di colture cerealicole. La decisione di interrompere il prato e, iniziare la coltivazione dei cereali, influenza i servizi ecosistemici (ES) forniti da questo sistema foraggero. La presente ricerca ha voluto indagare quali pratiche possono essere adottate per gestire questa transizione da un punto di vista della mitigazione del cambiamento climatico e di altri ES. A tal fine sono state effettuate tre sperimentazioni sul campo: Il 1° esperimento ha voluto valutare se l'interruzione dei prati di erba medica in un clima mediterraneo sia conveniente rispetto al suo prolungamento oltre il 6° anno in termini di ES. I suoi benefici ES possono essere sostituiti dall'aggiunta di un alta dose di biochar prima della crescita di 2 colture di grano successive? Sono stati esaminati dodici servizi di ES. Il prolungamento dell'erba medica sembra essere la scelta migliore per fornire il maggior numero di ES. L'aggiunta di biochar dopo l'interruzione dell'erba medica non ha mostrato alcun aumento significativo dell'ES, né sulla biodiversità vegetale, la quale è sempre risultata più elevata nelle colture di erba medica. Il secondo esperimento ha confrontato l'emissione di N2O nel suolo al termine dell'erba medica da parte della lavorazione, seguita dalla crescita del grano, con la continuazione di erba medica a lungo termine. I risultati hanno indicato che la lavorazione del terreno ha provocato una maggiore emissione di N2O (0,37 g N-N2O ha-1h-1) rispetto a quella dell'erba medica indisturbata (0,14 g N-N2O ha-1h-1). Questa maggiore emissione non è però durata a lungo; dopo un anno le emissioni delle 2 opzioni sono state simili. In conclusione, per ridurre le emissioni di GHG legate al termine dell'erba medica si raccomanda di ritardare la lavorazione sotto luna copertura di erba medica in autunno, poco prima della semina del grano. Il 3° esperimento è stato effettuato per determinare se l'aggiunta di biochar può ridurre gli effetti dannosi della terminazione dell'erba medica, legati sia all'emissione di GHG che alle proprietà pedologiche. A tal fine ho studiato come un' alta dose di biochar (60 Mg ha-1) influenzi le caratteristiche del suolo e il comportamento di 12 enzimi del suolo legati ai principali cicli degli elementi. Il confronto è stato effettuato nelle 2 colture di frumento che sono state coltivate successivamente dopo l'interruzione dell'erba medica. I risultati hanno mostrato una leggera tendenza del biochar a promuovere la stabilità degli aggregati del suolo e un aumento della materia organica del suolo. L'incorporazione di biochar, a breve termine, non ha avuto alcun effetto sul pH del suolo, sull' N totale, sul P disponibile e sulle rese di frumento. Il Biochar non ha influenzato gli enzimi, forse a causa della sua alcalinità. Al contrario, la lavorazione per la semina del grano e l'incorporazione di biochar hanno determinato un aumento dell'attività enzimatica, principalmente di quelle legate al ciclo del carbonio. In conclusione, i risultati confermano gli effetti vantaggiosi del prato di erba medica, che è apparso il raccolto migliore anche se mantenuto per più di 6 anni. La produzione di foraggio potrebbe diminuire, ma i ES che esso fornisce sono sempre superiori a quelli di un sistema cerealicolo. Per interrompere l'erba medica (a causa di una drastica riduzione della resa della quantità di foraggio), è meglio ritardare l'aratura del grano a fine stagione, per ridurre l'emissione di N2O. L'aggiunta di biochar potrebbe sostituire alcuni dei benefici dell'erba medica, ma questa sperimentazione non ha rivelato alcun effetto significativo del biochar sulla dinamica degli enzimi, probabilmente perché era un biochar legnoso, alcalino, ad alta temperatura distribuito su un terreno alcalino. Il biochar ha invece mostrato un'influenza su alcune caratteristiche chimico fisiche del suolo (stabilità degli aggregati e accumulo di sostanza organica del suolo) che, se confermate a lungo termine, possono essere di fondamentale importanza sulle colline dell'area mediterranea.