Harvest residues management and silvicultural operations impact on soil physical and organic matter quality of eucalypt plantations

Abstract

Brazil is among the world’s largest timber producers and Eucalyptus planted forests are responsible for a significant portion of wood products supply. Furthermore, these forests play an important role on mitigation of increasing atmospheric greenhouse gases. The period between harvesting and new rotation establishment, i.e. its first two or three years, concentrates the major part of forest mechanical operations that may define achievable productivity while causing harmful impacts on soil physical and organic properties. This thesis is divided in three chapters that evaluated and tried to provide a better understanding of these operations impact on eucalypt forest dynamics and soil properties. The first chapter approached how the management of eucalypt harvest residues (HR) could alter its decomposition pattern and the dynamics of two soil organic matter (SOM) fractions (Particulate Organic Matter – POM, and Associated to Minerals – MAOM). The experiment was set up in an area where natural grasslands of Pampa Biome in the Rio Grande do Sul State, Brazil, have been recently converted to eucalypt forests. Removal of all residues (-R), only bark removal (-B) and maintenance of all residues (+B), all of them combined with external 200 kg ha -1 of N addition (+N) or not (-N), were simulated in PVC micro-plots in a 3x2 full factorial with 4 replications. A 10 % 15 N-enriched solution was used as N source to track the role of mineral-N in the process. Whole micro- plots were sampled at 0, 3, 6, 12 and 36 mo. after experiment establishment and taken to the lab for further analysis. All sampling times were used to build decomposition curve, while C, δ 13 C, N and 15 N content associated with both SOM fractions were determined on 36 mo. samples in 0 -1 and 1 -5 cm soil layers. In these same layers, SOM fractions from 12 and 36 mo. samples were characterized with Pyrolysis associated with Gas Chromatography/Mass Spectrometry (Py-GC/MS) to obtain a better understanding of SOM formation pathway under different HR management. Almost 80 % of HR have been decomposed until 3 yr. Bark (p<0.05) and mineral-N (p=0.06) presence slowed down decomposition. Overall, changes in C and N content and δ 13 C due to residues presence were more expressive in 0-1 cm layer and POM fraction. +B tended to increase HR contribution, but its effect was more distinguished in -N treatments. Mineral-N fraction was always higher when HR were present, particularly in +B treatments, but its contribution to SOM fractions was always smaller than 4 %. Py-GC/MS products revealed a direct role of HR on POM formation, but their effect on MAOM seems to be indirect by altering microbial composition and its products. In summary, we showed how HR management drives SOM fractions chemistry and we conclude that a sustainable management of HR can enhance soil C accrual. In the second chapter was evaluated how two different harvest systems would change soil physical properties, soil C content and soil CO 2 efflux, and initial tree growth under two different silvicultural system. To this end, two adjacent stands located in Estrela do Sul/MG were selected. Each stand was harvested and logged with a different system (Feller + Forwarder – F+F; and Feller + Skidder – F+S) and soil physical properties [Soil Bulk Density (Ds), Micro (Mi), Macro (Ma) and Total Porosity (TP), and Penetration Resistance (PR)], SOM properties [Labile- C, C associated with Particulate (C-POM) and Mineral (C-MAOM) fractions] soil CO 2 efflux and stump mortality rate, were assessed after harvesting operations and compared with reference (before harvesting). Afterwards, each stand was divided in coppice and replanting, and we followed soil CO 2 efflux after planting and one year after planting, when trees height (H) and SOM properties were also measured in both areas and system to evaluate how areas would recover from harvesting impacts. All soil variables were assessed at planting and inter-planting row positions. Both systems affected soil density and soil pore configuration, but in different ways. F+F concentrates traffic at inter- planting row position, and therefore causes a slightly higher compaction in this region, while F+S does not follow traffic routes and impacts planting-row similarly, resulting in higher stump mortality. Harvesting operations increased Ds, Mi and PR and reduced Ma and TP at all layers. Soil CO 2 efflux was not affected by harvesting operations. Differences in soil CO 2 were found after planting, when it was higher in F+S system, that also presented higher labile-C and C-POM. One year after planting, mortality rate was still higher under coppice in F+S system, that also presented lower trees. In turn, trees were higher in replanting in this area. Soil respiration behaved similarly, i.e., higher in F+F under coppice and lower under replanting. Overall, after one year coppice system presented higher Labile-C, C-POM and C-MAOM. We concluded that each harvest system affects row and inter-row differently, creating different soil functional zones inside same area, that might be enhanced by the next silvicultural system chosen, and should be observed when assessing ecosystem services and site condition. Lastly, the third chapter evaluated the effect of land use change from natural grasslands of Pampa Biome to eucalypt plantations, as well as N fertilization effects on initial eucalypt growth, fine-root biomass (FRB) and its spatial distribution, and C, δ 13 C and N content associated with SOM fractions (POM and MAOM). 4 N-levels were tested (24, 36, 48 e 108 kg ha^-1 of N) on initial tree growth (until 2 yr.). Afterwards, representative trees were chosen to evaluate FRB until 40 cm depth, and soil samples also until 40 cm depth were collected for SOM evaluation. Positive effect of N on tree growth (diameter and height) was seen initially after fertilization, i.e., 1.5 yr., whereas at 2 yr. N effects were seen only at trees height. The FRB fitted regression showed increase of FRB until 56 kg ha^-1 of N, and after that level a decrease in FRB was observed, and the highest N level used resulted in the lowest FRB. Both horizontal and vertical anisotropy in fine-root distribution were observed, and besides differences among N levels, we could not see a clear relation between N fertilization and fine-root spatial distribution. Overall, land use change to eucalypt plantations increased soil C content, particularly in top-soil layers. 36 kg ha^-1 resulted in higher C-POM in 0 -10, while 48 kg ha^-1 resulted in higher C-MAOM in this layer. C and N dynamics were tightly correlated, especially in MAOM fraction. C-POM was positively correlated with FRB. Tillage had a strong control on soil C and N stocks, enhancing C deposition and turnover at row (ridge) region, most likely for favoring roots development in this region. Therefore, it is shown that N fertilization may alter initial tree growth, but its effects don’t seem to last longer. Nevertheless, N effects can be reflected on fine-root biomass and distribution and C and N of SOM fractions. We hope that our findings could guide the adoption of proper management practices in eucalypt plantations in Brazil, enhancing the productivity and sustainability of these forests.

O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de madeira e plantações de eucalipto são responsáveis por boa parte do suprimento dos produtos madeireiros no país. Além disso, essas plantações desempenham papel importante na mitigação do aumento dos gases de efeito estufa na atmosfera. No período compreendido entre a colheita de um ciclo e o estabelecimento de uma nova rotação, ou seja, os seus primeiros dois ou três anos, se concentra a maior parte das operações florestais, que podem definir o sucesso do povoamento e ao mesmo tempo causar impactos negativos em propriedades físicas e orgânicas do solo. Esta tese, dividida em três capítulos, teve como objetivo avaliar o impacto dessas operações sobre a dinâmica das florestas de eucalipto e propriedades do solo. No primeiro capítulo foi abordado como o manejo dos resíduos da colheita do eucalipto pode alterar a sua decomposição e a dinâmica de duas frações (Matéria Orgânica Particulada – MOP e Associada aos Minerais – MAM) da matéria orgânica do solo (MOS). O experimento foi conduzido em área onde pastagens naturais do Pampa Gaúcho foram recentemente convertidas em plantios de eucalipto. Foram simuladas a remoção total dos resíduos (-R), a remoção apenas da casca (-B) e a manutenção total dos resíduos (+B), combinados (+N) ou não (-N) com a adição de 200 kg ha -1 de N mineral, em um fatorial 3x2 completo com 4 repetições. Uma solução enriquecida em 10 % com 15 N foi utilizada como fonte de N para traçar o N mineral em todo o processo. Aos 0, 3, 6, 12 e 36 meses após a instalação amostras dos resíduos e do solo foram coletadas e levadas ao laboratório. Dados de todos os tempos foram utilizados para construir a curva de decomposição dos resíduos, enquanto que os teores de C, δ 13 C, N e δ 15 N associados às duas frações da MOS foram determinados no último tempo nas camadas de 0 -1 e 1 -5 cm do solo. Nessas mesmas camadas, as frações da MOS dos solos de 12 e 36 meses foram submetidas à pirolise associada com cromatografia gasosa e espectrometria de massa (Pi-CG/EM) para caracterização química e tentativa de melhor entendimento sobre os processos de formação da MOS sob os diferentes manejos de resíduos. Ao final dos três anos, cerca de 80 % de todo o resíduo tinha sido decomposto. A presença da casca (p<0,05) e do N-mineral (p=0,06) diminuíram a taxa de decomposição do resíduo. O efeito dos resíduos sobre o C e N das frações da MOS foram mais expressivos na fração particulada e camada de 0 -1 cm. Em geral, a presença dos resíduos aumentou os teores de C e N, e diminuiu os valores de δ 13 C, indicando contribuição dos resíduos para as frações da MOS. A contribuição dos resíduos é maior na presença da casca, especialmente nos tratamentos -N. A contribuição do N mineral para as frações da MOS foi inferior a 4 %, mas foi sempre maior quando os resíduos estavam presentes. Os resultados da Pi- CG/EM indicaram contribuição direta dos resíduos para a fração MOP, enquanto que a influencia na fração MAM parece ser indireta pela alteração da comunidade microbiana e seus produtos. Concluindo, foi mostrado como o manejo dos resíduos altera a composição da MOS e que a manutenção dos resíduos na área acarreta em aumento nos teores de C da MOS. No segundo capítulo, foi avaliado como dois sistemas diferentes de colheita de eucalipto alterariam propriedades físicas do solo, os teores de C e a emissão de CO 2 pelo solo, bem como o crescimento inicial das árvores após a adoção de dois sistemas silviculturais distintos. Para isso, dois talhões adjacentes localizados em Estrela do Sul/MG foram selecionados. Cada talhão foi colhido com um sistema diferente (Feller e Forwarder - F+F, ou Feller e Skidder - F+S) e propriedades físicas [Densidade do Solo (Ds), Micro (Mi), Macro (Ma), Porosidade Total (PT) e Resistência à Penetração (RP)], orgânicas (C lábil, e C associado às frações MOP e MAM), emissão de CO 2 , e mortalidade das cepas foram avaliadas antes e depois da colheita. Posteriormente, cada área foi dividida em dois sistemas silviculturais: talhadia e alto-fuste (reforma), e a emissão de CO 2 pelo solo, frações de C do solo e a altura das árvores foram analisados após um ano para avaliar como cada área se recuperaria dos impactos da colheita. Todas as avaliações foram feitas nas linhas e entrelinhas de plantio. Ambos os sistemas de colheita afetaram negativamente as propriedades físicas do solo, mas de maneira diferente. Enquanto F+F concentra o impacto nas entrelinhas, o sistema F+S não segue linhas de trafego pré-estabelecidas, causando maior compactação nas linhas de plantio e consequentemente maior mortalidade de cepas. A colheita aumentou Ds, Mi, RP e reduziu Ma e PT em todas as posições, sistemas e profundidade. A emissão de CO 2 do solo não foi alterada pela colheita. Diferenças na emissão de CO 2 só foram encontradas após o plantio, quando foi mais elevada no F+S em ambos sistemas silviculturais, e C lábil e C- MOP também estavam mais elevados. Após um ano, a mortalidade ainda era maior no sistema F+S e altura menor no sistema de talhadia. Por outro lado, as árvores no F+S sob reforma eram mais altas. A respiração do solo apresentou padrão semelhante, ou seja, mais alta em área de talhadia no F+F e mais baixa nas áreas reformadas. C lábil, C-MOP e C-MAM foram significativamente mais altos nos sistemas de talhadia. Conclui-se que cada sistema de colheita afeta linha e entrelinha de plantio diferentemente, criando diferentes zonas no talhão, que podem ser exacerbadas com a adoção de diferentes sistemas silviculturais. Essas diferenças devem ser observadas quando são avaliados impactos sobre o solo. No terceiro capítulo foram avaliados o efeito da substituição de pastagens naturais do Pampa Gaúcho por plantios de eucalipto e o efeito da adubação nitrogenada sobre o crescimento inicial, a biomassa e distribuição espacial de raízes finas de eucalipto, e teores de C, δ 13 C e N associados às frações MOP e MAM da MOS. Foram testadas 4 doses de N (24, 36, 48 e 108 kg ha^-1 de N) e o crescimento inicial das árvores foi avaliado até a idade de dois anos. Posteriormente, foram selecionadas árvores representativas que tiveram a biomassa de raízes finas (BRF) avaliadas até a profundidade de 40 cm, ao mesmo tempo em que se realizaram as avaliações da MOS também até 40 cm. Efeitos positivos da adubação nitrogenada foram observados inicialmente sobre diâmetro e altura, mas aos dois anos apenas a altura foi positivamente influenciada. A regressão ajustada para a BRF indicou aumento da BRF até 56 kg ha -1 de N, sendo que após esse nível a BRF diminui e a maior dose de N testada resultou na menor BRF observada. Foi observada anisotropia na distribuição radicular horizontal e verticalmente e, apesar de diferenças entre as doses, não foi possível traçar uma relação clara entre as doses de N e a distribuição espacial de raízes finas. Em geral, a introdução de eucalipto elevou os teores de C do solo. Os efeitos foram maiores nas camadas superficiais. 36 kg ha^-1 resultou nos maiores teores de C-MOP na camada 0 -10, enquanto que 48 kg ha^-1 resultou nos maiores C-MAM nessa camada. As dinâmicas de C e N apresentaram-se fortemente correlacionadas, especialmente na fração MAM. Os teores de C-MOP correlacionaram-se positivamente com BRF. O sistema de preparo do solo influencia os teores de C e N no solo, aumentando-os na linha de plantio, provavelmente por favorecer o desenvolvimento de raízes nessa região. Assim, verificou-se que a adição de N pode afetar positivamente o crescimento inicial do eucalipto, mas os efeitos não parecem ser duradouros. Por outro lado, o efeito do N parece ser observado por mais tempo sobre a biomassa de raízes finas e C e N das frações da MOS. Espera-se que os resultados encontrados na presente tese possam ser utilizados para nortear as práticas de manejo adotadas em plantios de eucalipto no Brasil, trazendo maior produtividade e sustentabilidade à essas florestas.