Tracing organic carbon cycling in agricultural soils of different catch crop management systems by 13C pulse labelling

Tese de mestrado, Ecologia e Gestão Ambiental, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018The loss of nutrients from agricultural soils leads to environmental problems and the infraction of environmental laws. Catch crops are a type of cover crop that are used in rotations as a way of avoiding soil nutrients from leaching. These crops may enhance other properties of the soil regarding quality and biological activity. The aim of this thesis is to explore these benefits by comparing fallow soil, to that of a single-species catch crop (Mustard) and the soils of two multi-species catch crops (Mix4, containing four species, and a commercial mix TerraLife, containing thirteen), on the same agricultural soil in Lower Saxony, Germany. A 13C pulse labelling experiment was conducted to trace C through the atmosphere-plant-soil microbiome interphase. Net Ecosystem Production (NEP) of the different catch crops was calculated by monitoring gas fluxes. Soil microbial phospholipid fatty acids (PLFAs) were extracted, as a means of quantifying the relative amount of the microbial community and identifying relative differences among the soil samples. NEP was significantly higher in the TerraLife soil when compared to the fallow soil and the Mustard suggesting that the higher the plant diversity, the higher the C fixation. The TerraLife soil presented higher extracted PLFA values, being significantly higher than the fallow soil at 0-10 cm for total PLFAs and fungal PLFAs, suggesting that higher plant diversity induces higher microbial biomass. And the soil microbial community structure seemed to present two different trends, with a higher Fungi/Bacteria ratio in the TerraLife and Mix4 soils and similar values for the Mustard and fallow soils. The results suggest that multi-species catch crops provide higher C fixation rates and promote soil microbiota when compared to single-species crops or fallow soil. Further research that focuses on functional traits between individual catch crops and their microbiome is still needed in order to contrast and better interpret the information currently available on the subject.A perda de nutrientes nos solos agrícolas provoca problemas ambientais e o incumprimento de leis de protecção do ambiente. As culturas de captura de nutrientes (“catch crops”) são culturas utilizadas nas rotações de cultivos para evitar a perda de nutrientes por infiltração. Estas culturas podem aumentar a qualidade ou a actividade biológica no solo. O objectivo desta dissertação é explorar aspectos relacionados com o ciclo do carbono ao comparar o efeito num solo agrícola da Baixa-Saxónia (Alemanha) de semear uma só espécie (Mostarda), semear mais do que uma (Mix4, mistura experimental de 4 espécies, e TerraLife, mistura comercial de 13 espécies) ou deixa-lo nu. Para tal, foi dado às plantas um pulso de 13C para fazer o seguimento do C na interfase atmosfera-planta-solo. A Produção Líquida do Ecossistema (NEP) foi calculada para as diferentes culturas de captura de nutrientes com recurso à monitorização dos fluxos de gases. Os ácidos gordos de fosfolípidos (PLFAs) dos microrganismos do solo foram extraídos para estimar a quantidade e diversidade relativas de distintos componentes do microbiota. A NEP foi significativamente maior na TerraLife do que no solo nu e no da Mostarda, o que sugere que a maior diversidade de plantas pode estar a aumentar a fixação de C. O solo da TerraLife apresentou valores maiores do que o resto para PLFAs, significativamente maiores para PLFA total e PLFA de fungos, pudendo o aumento da diversidade das plantas estar a aumentar a biomassa microbiana. Observaram-se duas tendências na estrutura da comunidade microbiana; a TerraLife e a Mix4 tiveram maiores valores na razão fungo/bactéria; e a Mostarda e o solo nu, valores menores. As “catch crops” com maior diversidade de plantas estudadas fixaram mais C da atmosfera e deram lugar a maior diversidade e abundância de microrganismos no solo que a de uma só espécie ou o solo nu. Ainda é preciso esclarecer as interacções específicas das plantas usadas com o microbiota do solo para comprovar os resultados e a interpretação dos mesmos