Above and below ground plant inputs and soil organic matter cycling in an eucalypt plantation in the cerrado biome

Abstract

Soil organic matter (SOM) plays key roles on high productive agrosystems, further may offer an alternative to reduce soil CO 2 -C emissions and improve soil C sequestration. In Brazil, most of the Cerrado (Brazilian Savannah) were initially converted to pastures using unsustainable practices, which promoted soil degradation, soil organic carbon (SOC) stocks losses and increase in GHG emissions. Thus, the conservation land-management systems that favor the input of aboveground and belowground plant residue-C to soil may reduce the impacts caused by land-use change. Because eucalypt trees are fast-growing, they are attractive for C sequestration (aboveground and belowground) and subsequent C input to the soil. So, eucalypt plantation may sequester C in compartments with different timescales: i) Plant biomass and ii) Soil organic matter (SOM). So, this thesis aimed to study the C and N dynamics, focusing in the processes that underline CO 2 -C emissions in on eucalypt plantation since the land-use change following a pasture, until 4-years-old. We report our research in three chapters, aimed at understanding some research gaps. In the first chapter we analyzed the changes in C and N stocks, CO 2 -C and CH 4 -C fluxes in Cerrado, pasture (cultivated for 34-years following the clearing of the Cerrado) and eucalypt (cultivated for 4 years following the pasture). The soil surface CO 2 -C, CH 4 -C fluxes and also CO 2 -C concentration along the vertical soil profile were measured in different seasons (Wet and Dry) over three years. It was also determined the C and N stocks associated to the particulate organic matter (POM) and mineral-associated organic matter (MAOM). Variation in natural abundance of 13 C (δ 13 C) was used to partition the SOM in old (Cerrado- or pasture-derived) and their replacement by the new input C (eucalypt-derived). It was observed that the wet season had the strongest influence on soil surface CO 2 -C and CH 4 -C fluxes, and CO 2 -C concentration at soil depths for the different land uses. The soil under eucalypt plantation emitted ~70% more CO 2 -C than those under Cerrado and pasture after 40-months of eucalypt planting, while the pasture soil emitted more CH 4 -C to the atmosphere than those under Cerrado and eucalypt in Sep 2012, Jan 2013 and Oct 2015. The old MAOM-C losses in deep soil layers were not compensated by the new eucalypt C inputs, resulting in net soil C losses. Nevertheless, no differences were detected to POM-C and -N in the soil (0.0-1.0 m), perhaps indicating a recovery in SOM in eucalypt stands at a more advanced stand age. In the second chapter, we investigated de dynamics of CO 2 -C components in soil surface and soil profile, also tracking the influence of eucalypt root growth (especially fine roots) on these processes. Due historical use was possible partition the soil surface CO 2 -C flux and the CO 2 -C concentration in depth in CO 2 -C plant-derived and CO 2 -C soil-derived. In addition, the root priming effect was calculated. The evaluations were carried out in six seasons: 3, 7, 15, 19, 31 and 40-month-old eucalypt. After the implantation of eucalypt forests there was an increase in soil surface CO 2 -C flux along plant growth (4.33 kg ha -1 h -1 in 40 month-old eucalypt). The root growth contributes greatly to the soil surface CO 2 -C flux (correlated at p<0.01; r: 0.61) promoting the surface RPE over time (correlated at p<0.01; r: 0.63). The moisture has greater influence in the decomposition of litterfall (correlated at p<0.01; r: 0.70) and root respiration and/or rhizodeposition decomposition (correlated at p<0.01; r: 0.79). Finally, in the third chapter we accessed the biomass C storage (Leaves, branches, barks, woods, fine roots, medium roots and coarse roots) and C storage in different SOM pools (POM and MAOM) over time. Eucalypt forest at 36-months-old allocated 72.01 Mg ha -1 of C, with 41.5% being directed to the roots (29.92 Mg ha -1 of C). After 49-months of planting there were mineralization in POM-, MAOM-Cerrado and Pasture, providing an estimated N mineralization of 0.535 Mg ha -1 in the 0.0-1.0-m layer. In contrast, the root-derived C imputed to soil was more efficient in soil organic matter formation (58% higher) than the litterfall- + root-derived C imputed to soil. After 49-months of eucalypt planting the forest was not a potential sequestration of C (ΔC Soil : -2.22 Mg ha -1 ) to 0.0-1.0 m soil layer. However, studies with longer time scales are required for completeness of information about potential of CO 2 -C sequestering by eucalypt forest.

Matéria orgânica do solo (MOS) desempenha papel chave em agroecossitemas de alta produtividade, além de oferecer uma alternativa para reduzir as emissões de C- CO 2 e aumentar o sequestro de C no solo. No Brasil, a maioria do Cerrado brasileiro foi inicialmente convertida em pastagens manejadas inapropriadamente, o qual promoveu a degradação do solo, perdas dos estoques de carbono orgânico do solo (COS) e aumentos nas emissões dos GEE. Assim, a conversão do uso do solo pode favorecer o aporte de C-resíduos de plantas sobre e abaixo do solo podendo reduzir os impactos causados pela mudança de uso do solo. Devido às árvores de eucalipto serem de rápido crescimento, elas são atrativas para o sequestro de C no solo (sobre e abaixo do solo) e subsequente aporte de C para o solo. Então, plantios de eucalipto podem sequestrar C em compartimentos com diferentes escalas de tempo: i) Biomassa da planta e ii) Matéria orgânica do solo. Desta forma, esta Tese objetivou estudar a dinâmica de C e N, focando nos processos que envolvem as emissões de C- CO 2 em plantios de eucalipto em substituição a pastagens, até os 4 anos de idade. Nós realizamos três capítulos, objetivando entender algumas lacunas na pesquisa. No primeiro capítulo analisamos as mudanças nos estoques de C e N, fluxos de C-CO 2 e C-CH 4 no Cerrado, pastagem (cultivada durante 34 anos após a implantação no Cerrado) e eucalipto (cultivado por 4 anos após a implantação na pastagem). Os fluxos superficiais do solo de C-CO 2 , C-CH 4 e as concentrações de C-CO 2 ao longo do perfil do solo foram mensuradas em diferentes épocas (chuvosa e seca) durante três anos. Foram também determinados os estoques de C e N associados à matéria orgânica particulada (MOP) e aquela associada aos minerais do solo (MOAM). A variação na abundância natural do 13 C (δ 13 C) foi utilizada para particionar a MOS antiga (derivado do Cerrado ou pastagem) e sua substituição pelo aporte do C novo (derivado do eucalipto). Foi observado forte influência da época chuvosa para os fluxos superficiais de C-CO 2 e C-CH 4 , e concentrações de C-CO 2 nas profundidades do solo para os diferentes usos. O solo sob plantações de eucalipto emitiu ~70% mais C-CO 2 do que aqueles com Cerrado e pastagem após 40 meses do plantio do eucalipto, enquanto o solo de pastagem emitiu mais C-CH 4 para a atmosfera do que aqueles sob Cerrado e eucalipto in Set 2012, Jan 2013 e Out 2015. As perdas de C- MOAM antigo nas camadas mais profundas do solo não foram compensadas pelo aporte do C derivado do eucalipto, resultando em perdas líquidas de C do solo. Mesmo assim, não foram detectadas diferenças para o C e N-MOP no solo (0.0-1.0 m), talvez indicando recuperação da MOS nos plantios de eucalipto em idades mais avançadas. No segundo capítulo, nós investigamos a dinâmica dos componentes do C-CO 2 na superfície e no perfil do solo, também rastreando a influência do crescimento das raízes do eucalipto (especialmente raízes finas) para este processo. Devido ao histórico de uso foi possível particionar os fluxos superficiais de C-CO 2 e as concentrações de C-CO 2 em profundidade em C-CO 2 derivado da planta e C-CO 2 derivado do solo. Além disso, o efeito priming rizosférico (EPR) foi calculado. As avaliações foram realizadas em seis épocas: 3, 7, 15, 19, 31 e 40 meses de idade do eucalipto. Após a implantação das florestas de eucalipto houve um aumento nos fluxos superficiais de C-CO 2 ao longo do crescimento da planta (4,33 kg ha -1 h -1 aos 40 meses de idade). O crescimento das raízes contribuiu grandemente para os fluxos superficiais de C-CO 2 (correlacionados a p<0,01; r:0,61) promovendo o EPR superficial ao longo do tempo (correlacionado a p<0,01; r:0,63). A umidade teve grande influência na decomposição do litter (correlacionado a p<0,01; r:0,70) e respiração de raiz e/ou decomposição de rizodepositos (correlacionados a p<0,01; r:0,79). Finalmente, no terceiro capítulo nós acessamos a estocagem de C na biomassa do eucalipto (folhas, galhos, casacas, tronco, raízes finas, raízes médias e raízes grossas) e nos compartimentos da MOS (MOP e MOAM) ao longo do tempo. Florestas de eucalipto aos 36 meses de idade alocou 72,01 Mg ha -1 de C, com 41,5% sendo direcionado para as raízes (29,92 Mg ha -1 de C). Após 49 meses do plantio houve mineralização na MOP-, MOAM-Cerrado e Pastagem, promovendo uma mineralização estimada de N de 0,535 Mg ha -1 na camada de 0,0-1,0 m. Em contrapartida, o C aportado ao solo pelas raízes foi mais eficiente em formar MOS (58% maior) em relação ao C derivado do litter + raízes. Após 49 meses do plantio do eucalipto a floresta não apresentou potencial de sequestro de C no solo (ΔC Solo : - 2,22 Mg ha -1 ) para camada de 0,0-1,0 m. Entretanto, estudos com uma escala de tempo mais longa são requeridos para complementar informações sobre o potencial das florestas de eucalipto em sequestrar C-CO 2 no solo.