Carbon and nitrogen in aboveground and root biomass with increasing levels of forage species diversity in subtropical and temperate climates

Abstract

Resumo: Em áreas de pastagens, as raízes representam a principal forma de entrada de resíduos para formação da matéria orgânica do solo (MOS), pois esses resíduos radiculares estão em contato direto com as particulas de solo e microrganismos, aumentado a eficiência de sua conversão para MOS em relação ao resíduo de parte aérea. O uso de consórcios entre espécies forrageiras com características complementares pode aumentar a produção de raízes e consequentemente na produção de forragem. Espécies com arquitetura radicular e profundidade de enraizamento diferentes podem explorar diferentes nichos no solo, gerando maior acesso aos recursos naturais e promovendo maior resiliência da pastagem às mudanças climáticas. O objetivo dessa pesquisa foi avaliar o efeito de pastagens consorciadas com diferentes composições de espécies sobre a produção e acúmulo de C e N na biomassa de parte aérea e raízes e seus impactos na MOS em clima subtropical e temperado. No clima subtropical foram avaliados nove tratamentos com incremento no número de espécies, intercalando gramíneas e leguminosas de estação fria e quente. No clima temperado, foram avaliados três pastagens com composição botânica diferentes: monocultura de gramínea perene, consórcio entre gramíneas e leguminosas perenes de estação fria, e a inclusão de anuais de inverno à mistura das perenes de estação fria. Um segundo fator foi avaliado em clima temperado, correspondendo à ocorrência de eventos de inundação natural do solo após chuvas intensas. A produção de forragem e raízes até 30 cm de profundidade em ambos locais foi avaliada por dois anos. A matéria orgânica particulada (MOP) foi avaliada ao final dos experimentos. Os resultados indicaram que pastagens com maior diversidade de espécies aumentaram a produção de forragem e de raízes em ambos locais, mas aumentos na MOP ocorreram apenas em clima temperado. As condições iniciais do solo sob clima subtropical com elevado teor de MOS podem ter reduzido os efeitos positivos da maior adição de C e N pelas raízes dos consórcios. A complementariedade entre as espécies avaliadas, a entrada de N adicional através da fixação biológica pelas leguminosas e as diferenças temporais no crescimento e na morfologia da parte aérea e radicular pelas gramineas foram fatores determinantes para o sucesso das misturas. Contudo, o consórcio entre perenes e anuais em clima temperado resultou em baixa população de plantas e alta pressão por daninhas, reduzindo a produção de parte aérea e raízes e consequentemente levando à perdas na MOP. As condições de inundação também causaram redução na produção de parte aérea e raízes e na MOP em clima temperado, contudo o consórcio entre perenes de estação fria mostrou um maior potencial de resiliência à inundação, em comparação à monocultura. Concluindo, misturas diversas de espécies complementares podem ser usadas para elevar o potencial produtivo das pastagens e aumentar as adições de C e N por raízes, podendo elevar o sequestro de C no solo à longo prazo.

Abstract: In grasslands, roots are the main point of entry of plant residue to form soil organic matter (SOM), because they are in direct contact with soil particles and microorganisms, increasing its conversion efficiency to SOM, in relation to the aboveground residue. The use of mixtures of forage species with complementary characteristics can increase root production and consequently forage mass. Species with different root architecture and rooting depth can explore different soil niches, improving access to natural resources promoting a higher grassland resilience to climatic change. The objectives of this research were to evaluate the effects of forage mixtures with different species composition on aboveground and root production and C and N accumulation, and its impacts on SOM in a subtropical and temperate climate. In the subtropical climate nine treatments were evaluated by increasing the number of species in the mixture, combining grasses and legumes from cool and warm-season. Under temperate climate, three grasslands with different botanical composition were evaluated: a perennial grass monoculture, a mixture of perennial grasses and legumes from cool-season, and the inclusion of winter annuals to the perennial cool-season mixture. A second factor was evaluated under temperate climate, consisting of the natural occurrence of soil inundation events after heavy rains. Forage and root production, up to 30 cm depth, were evaluated during two years at both locations, and soil particulate organic matter (POM) evaluated at the end of the experiments. The results showed that grasslands with higher species diversity increased forage and root production in both sites, but POM was only increased under temperate climate. The initial soil conditions from the subtropical site, with high MOS concentration, might have reduced the positive effects of higher root C and N input by the mixtures. Complementarity among the species evaluated, with additional N input from biological fixations by legumes and different temporal and morphological growth patterns for aboveground and roots, were decisive factors for the success of mixtures. Although the mixture among perennials and annuals in temperate climate resulted in poor plant stand and high weed pressure, reducing aboveground and root production, and consequent loss of POM. Soil inundation also reduced aboveground and root production and POM in temperate climate, however the cool-season perennial mixture presented a higher resilience potential to inundation, compared to the grass monoculture. In conclusion, diverse mixtures among complementary species can be used to increase the potential of forage production in grasslands and increase C and N inputs belowground, which could lead to soil C sequestration in the long-term.