Soil pore functionality, carbon storage, and ecosystem services in long-term agricultural systems

Abstract

Resumo: A intensificação sustentável da agricultura, através de sistemas integrados e conservacionistas, é fundamental para restaurar a funcionalidade do solo e mitigar as mudanças climáticas. O objetivo geral desta tese foi analisar a interdependência entre a funcionalidade do sistema de poros do solo, os estoques de carbono orgânico do solo e os serviços ecossistêmicos sob estratégias de manejo de conservação de longo prazo. Para atingir esse objetivo, a pesquisa abrangeu a avaliação de sistemas agrícolas integrados no sul do Brasil, bem como o uso de culturas de cobertura (>30 anos) em solos arenosos temperados na Suécia. A pesquisa foi estruturada em dois estudos de longa duração. O primeiro, realizado no Sul do Brasil (clima subtropical) em um Latossolo de textura argilosa, avaliou sistemas integrados de produção agropecuária (Pecuária, Lavoura-Pecuária, Pecuária-Floresta e Lavoura-Pecuária-Floresta) sob plantio direto. O segundo, conduzido no Sudoeste da Suécia (clima temperado) em solos de textura arenosa, investigou o impacto de culturas de cobertura (Lolium perenne) versus solo descoberto. No primeiro capítulo (publicado) os sistemas Lavoura-Pecuária e Lavoura Pecuária-Floresta aumentaram a condutividade hidráulica saturada (Ks) e a permeabilidade ao ar (Ka) em um Latossolo argiloso. No segundo capítulo, calculou-se o Índice de Serviços Ecossistêmicos (ISE) para avaliar a oferta de serviços em sistemas pecuários e pecuários florestais, visando quantificar, por meio de uma abordagem integrada, os benefícios e os trade offs decorrentes da presença de árvores nas pastagens. A aplicação deste índice demonstrou que a integração do componente arbóreo eleva a provisão global de serviços, aumentando o ISE de 0,52 (Pecuária) para 0,72 (Pecuária-Floresta). Evidenciou-se que eventuais reduções na provisão forrageira provocadas pelo sombreamento são funcional e amplamente compensadas pela produção de madeira e, principalmente, pela adicionalidade no sequestro de carbono, o que impulsiona significativamente os serviços de regulação climática. No âmbito dos processos físicos (Capítulo 3), observou-se uma relação negativa entre o carbono orgânico e os fluxos de água e ar, sugerindo que a aeração excessiva pode acelerar a mineralização da matéria orgânica. Já no estudo sueco (Capítulo 4), em solos arenosos vulneráveis, o manejo com culturas de cobertura (Lolium perenne) provou ser favorável ao aporte de carbono orgânico no solo e a retenção de água via microporosidade. Conclui-se que a adoção de sistemas integrados melhora as propriedades físicas do solo e potencializa serviços ambientais, demonstrando que a diversidade biológica atua como reguladora fundamental da estrutura dos poros. Dessa forma, o manejo conservacionista assegura o equilíbrio entre a funcionalidade hidráulica e a preservação do carbono, promovendo a resiliência dos sistemas agrícolas frente aos desafios climáticos globais

Abstract: Sustainable agricultural intensification, through integrated and conservation systems, is fundamental to restoring soil functionality and mitigating climate change. The general objective of this thesis was to analyze the interdependence among soil pore system functionality, soil organic carbon stocks, and ecosystem services under long-term conservation management strategies. To achieve this, the research encompassed the evaluation of integrated agricultural systems in Southern Brazil, as well as the use of cover crops (>30 years) in temperate sandy soils in Sweden. The research was structured into two long-term studies. The first, conducted in Southern Brazil (subtropical climate) on a clayey Ferralsol, evaluated integrated crop livestock systems (Livestock, Crop-Livestock, Livestock-Forestry and Crop-Livestock Forestry) under no-tillage. The second, conducted in Southwestern Sweden (temperate climate) on sandy soils, investigated the impact of cover crops (Lolium perenne) versus bare soil. In the first chapter (published), the Crop-Livestock and Crop-Livestock-Forestry systems increased saturated hydraulic conductivity (Ks) and air permeability (Ka) in a clayey Ferralsol. In the second chapter, the Ecosystem Services Index (ESI) was calculated to evaluate the provision of services in livestock and livestock-forestry systems, aiming to quantify, through an integrated approach, the benefits and trade-offs arising from the presence of trees in pastures. The application of this index demonstrated that the integration of the tree component enhances the overall provision of services, increasing the ESI from 0.52 (Livestock) to 0.72 (Livestock Forestry). It was evidenced that any reductions in forage provision caused by shading are functionally and largely offset by wood production and, most notably, by the additionality in carbon sequestration, which significantly boosts climate regulation services. Regarding physical processes (Chapter 3), a negative relationship was observed between organic carbon and water and air fluxes, suggesting that excessive aeration may accelerate organic matter mineralization. In the Swedish study (Chapter 4), on vulnerable sandy soils, management with cover crops (Lolium perenne) proved favorable for soil organic carbon input and water retention via microporosity. It is concluded that the adoption of integrated systems improves soil physical properties and enhances ecosystem services, demonstrating that biological diversity acts as a fundamental regulator of pore structure. Thus, conservation management ensures the balance between hydraulic functionality and carbon preservation, promoting the resilience of agricultural systems against global climate challenges