Effects of the application of mulch/biochar on soil ecosystem services of a vineyard in the Alentejo region

Abstract

Soil degradation is one of the main environmental problems in European Mediterranean agricultural systems, becoming increasingly worse due to the intensification of agriculture. Erosion reduces soil water storage capacity due to rapid runoff of surface water and its organic matter content, nutrients, and valuable biota, which are transported by this water. Nature-based solutions, such as the organic mulching technique, reduces runoff and erosion and increases soil organic matter. Biochar can be combined with mulch and have an even greater positive impact in the recovery of degraded soils. The main objective of this master was to verify the effects of the application of mulch and biochar on soil ecosystem services (ES) of a vineyard in Alentejo, the Portuguese region with the most marked Mediterranean climate. The specific objectives were: 1. assess biochar's phytotoxicity (effects on the soil ES “soil habitat”) through germination assays complemented with pH/EC measurements and PAHs analyses; 2. verify the effects of the surface application of mulch-biochar on the following soil ES: “water storage”, “erosion control,” and “soil habitat”, through rainfall simulations and field experiments; 3. assess soil ES “carbon balance” through organic carbon determination and carbon fluxes assessment. Biochar's phytotoxicity was tested in the untreated soil and different soil-biochar mixtures (from 0,5 to 5 %). Lactuca sativa L. seeds were used, and germination percentage, root and shoot length were measured after 72 hours at 25 ºC. Laboratory rainfall simulations were carried out to assess runoff, infiltration, erosion, and phytotoxicity of leaching water in the untreated soil, soil treated with a straw mulch, and a straw+biochar layer. Field experiments included triplicate plots of the same untreated, mulch, and mulch+biochar treatments and were installed to assess runoff and erosion. The field plots were sampled to determine the effect of the treatments and three different microenvironments (Tree, Rut, and Veg) on soil organic carbon. Organic matter content in the eroded sediments, litter, and soil samples (up to a depth of 10 cm) was determined by loss on ignition at 560 ºC during 3 hours. Organic carbon contents were calculated always using the van Belenem factor (1,724). For the same field experiments, treatments, and microenvironments, CO2 concentrations were measured in the field using a LI-7810 Trace Gas Analyzer and then converted to carbon fluxes. Regarding soil ES “soil habitat”, results indicate that a concentration in the soil between 1,5 and 3 % of biochar increased plant length (root and shoot). From a concentration of 3,5 % of biochar onwards, an inhibition of plant growth began to occur, with biochar starting to become phytotoxic. In the leaching water, the mulch+biochar treatment increased root and shoot length the most. Regarding soil ES “water storage” results, applying both a mulch or mulch+biochar layer to the soil was effective at reducing runoff by 39 % and 44 %, respectively, by carrying out rainfall simulations. In the field, the mulch+biochar treatment reduced runoff peak flows by 59,5 % and 61,4 %, compared with the untreated plots and mulch treatment, respectively. Applying both mulch or mulch+biochar layers to the soil was effective at increasing infiltration (by 34 % and 38 %, respectively), according to the rainfall simulation results. Regarding soil ES “erosion control” results, in the rainfall simulations, both treatments reduced interrill erosion (63 % in the mulch treatment and 68 % in the mulch+biochar). In the field, mulch reduced erosion by 50 % and mulch+biochar by 47 %. Regarding soil EC “carbon balance” results, the mulch+biochar treatment was the most effective to increase litter and soil organic carbon content and stock. In comparison with the control, the soil was sequestering more carbon in the mulch and mulch+biochar treatments. Regarding microenvironments, the Tree was the one sequestering less carbon; - EFEITOS DA APLICAÇÃO DE MULCH/BIOCHAR NOS SERVIÇOS DE ECOSSISTEMA DO SOLO DE UMA VINHA NA REGIÃO DO ALENTEJO - RESUMO: A degradação dos solos é um dos principais problemas ambientais nos sistemas agrícolas Mediterrânicos Europeus, agravando-se cada vez mais devido à intensificação da agricultura. A erosão reduz a capacidade de armazenamento de água no solo, devido ao rápido escoamento das águas superficiais, e o seu conteúdo em matéria orgânica, nutrientes e importantes microrganismos, que são transportados por estas águas. As soluções baseadas na natureza, como a técnica do mulching orgânico, reduzem o escoamento superficial, a erosão, e aumentam o teor de matéria orgânica do solo. O biochar pode ser combinado com mulch e ter um impacto positivo ainda maior na recuperação de solos degradados. O principal objetivo deste mestrado foi verificar os efeitos da aplicação de mulch e biochar nos serviços de ecossistema (SE) do solo de uma vinha no Alentejo, a região portuguesa com um clima Mediterrânico mais acentuado. Os objetivos específicos foram: 1. avaliar a fitotoxicidade do biochar (efeitos no SE “habitat do solo”) através de ensaios de germinação complementados com medições de pH/CE e análises de PAHs; 2. verificar os efeitos da aplicação superficial de mulch-biochar nos seguintes SE do solo: “armazenamento de água”, “controlo da erosão” e “habitat do solo”, através de simulações de chuva e ensaios de campo; 3. avaliar o SE “balanço de carbono” do solo, através da determinação do carbono orgânico e da avaliação dos fluxos de carbono. A fitotoxicidade do biochar foi testada no solo não tratado e em diferentes misturas de solo com biochar (de 0,5 a 5 % de concentração em biochar). Foram utilizadas sementes de Lactuca sativa L. e medidas a percentagem de germinação e o crescimento das raízes e dos caules, após 72 horas a 25 ºC. Foram realizadas simulações de chuva em laboratório para avaliar o escoamento superficial, a infiltração, a erosão e a fitotoxicidade da água de lixiviação no solo não tratado, solo tratado com camada de mulch de palha e com camada de palha+biochar. Os ensaios de campo incluíram parcelas triplicadas dos mesmos tratamentos, e foram instalados para avaliar o escoamento superficial e a erosão. As parcelas de campo foram amostradas para determinar o efeito dos tratamentos e de três microambientes diferentes (Tree, Rut e Veg) no carbono orgânico do solo. O conteúdo de matéria orgânica nos sedimentos erodidos, na serapilheira e nas amostras de solo (até 10 cm de profundidade) foi determinada por perda por ignição a 560 ºC durante 3 horas. Os teores de carbono orgânico foram calculados sempre através do fator de van Belenem (1,724). Para os mesmos ensaios de campo, tratamentos e microambientes, as concentrações de CO2 foram medidas no campo, utilizando um analisador de gases LI-7810, e depois convertidas em fluxos de carbono. Relativamente ao SE “habitat do solo” do solo, os resultados indicam que uma concentração no solo entre 1,5 e 3 % de biochar aumentou o comprimento das plantas (raízes e caules). A partir de uma concentração de 3,5 % o biochar começou a tornar-se fitotóxico, ocorrendo uma inibição do crescimento das plantas. Na água de lixiviação, o tratamento de mulch+biochar foi o que mais aumentou o comprimento das raízes e dos caules. Em relação aos resultados do SE “armazenamento de água”, a aplicação de uma camada de mulch e de mulch+biochar ao solo foi eficaz na redução do escoamento em 39 % e 44 %, respetivamente, através da realização de simulações de chuva. No campo, o tratamento com mulch+biochar diminuiu os picos de escoamento superficial em 59,5 % e 61,4 %, em comparação com o solo não tratado e tratado com camada de mulch, respetivamente. A aplicação de camadas de mulch e de mulch+biochar ao solo foram eficazes no aumento da infiltração (em 34 % e 38 %, respetivamente), de acordo com os resultados das simulações de chuva. Relativamente aos resultados do SE “controlo da erosão”, nas simulações de chuva, ambos os tratamentos reduziram a erosão (63 % no tratamento com mulch e 68 % no tratamento com mulch+biochar). No campo, o mulch reduziu a erosão em 50% e o mulch+biochar em 47 %. Relativamente aos resultados do SE “balanço de carbono”, o tratamento com mulch+biochar foi o mais eficaz para aumentar o teor e o stock de carbono orgânico da serapilheira e do solo. Em comparação com o controlo, o solo estava a sequestrar mais carbono nos tratamentos de mulch e mulch+biochar. Em relação aos microambientes, o Tree foi o que estava a sequestrar menos carbono.