Responses of soil biological processes to elevated atmospheric CO2 and nitrogen addition in a poplar plantation

摘要

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.