Crop rotations for increased soil carbon: perenniality as a guiding principle
Resumo
Rotação de culturas mais diversificadas têm sido promovidas por seu potencial de remediar a gama de serviços ecossistêmicos comprometidos por agroecossistemas biologicamente simplificados baseados em grãos, incluindo o aumento do carbono orgânico do solo (COS). Nossa hipótese era que a diversidade funcional oferece um meio mais preditivo de caracterizar o impacto das rotação de culturas nas concentrações de COS do que a diversidade de espécies em si. Além disso, nossa hipótese era que a diversidade funcional pode aumentar ou diminuir o COS, dependendo de sua entrada de carbono (C) associada ao solo. Compilamos um banco de dados de 27 locais de sistemas de cultivo e 169 sistemas de cultivo, registramos as espécies e a diversidade funcional das rotações de culturas, as concentrações de COS (g C kg/solo), as aplicações de fertilizantes nitrogenados (N) (kg N·ha−1·ano−1) e estimamos a entrada de C no solo (Mg C·ha−1·ano−1). Classificamos as rotações de culturas em três grandes categorias: rotações apenas com grãos, rotações com grãos e culturas de cobertura e rotações com grãos e culturas perenes. Dividimos as rotações apenas com grãos em duas subcategorias: rotações apenas com cereais e aquelas que incluíam cereais e leguminosas. Comparamos as mudanças no COS e na entrada de C, usando tamanhos de efeito médios e intervalos de confiança bootstrapped de 95%. As rotações com culturas de cobertura e culturas perenes, em relação às rotações apenas com grãos, aumentaram a entrada de C em 42% e 23% e as concentrações de COS em 6,3% e 12,5%, respectivamente. Dentro das rotações apenas com grãos, as rotações com cereais + leguminosas diminuíram a entrada total de C (−16%), a entrada de C nas raízes (−12%) e o COS (−5,3%) em relação às rotações apenas com cereais. Não encontramos nenhum efeito da diversidade de espécies no COS nas rotações apenas com grãos. As taxas de fertilizante N mediou o efeito da diversidade funcional no COS nas rotações apenas com grãos: em baixas taxas de fertilizante N (≤75 kg N·ha−1·ano−1), a diminuição no COS com rotações de cereais + leguminosas foi menor do que em altas taxas de fertilizante N. Nossos resultados mostram que aumentar a diversidade funcional das rotações de culturas é mais provável de aumentar as concentrações de COS se for acompanhado por um aumento na entrada de C. As Rotações perenes e com culturas de cobertura funcionalmente diversas aumentaram tanto a entrada de C quanto as concentrações de COS, potencialmente explorando nichos no tempo que, de outra forma, seriam improdutivos, ou seja, aumentando a “perenidade” das rotações de culturas.
Abstract
More diverse crop rotations have been promoted for their potential to remediate the range of ecosystem services compromised by biologically simplified grain-based agroecosystems, including increasing soil organic carbon (SOC). We hypothesized that functional diversity offers a more predictive means of characterizing the impact of crop rotations on SOC concentrations than species diversity per se. Furthermore, we hypothesized that functional diversity can either increase or decrease SOC depending on its associated carbon (C) input to soil. We compiled a database of 27 cropping system sites and 169 cropping systems, recorded the species and functional diversity of crop rotations, SOC concentrations (g C kg/soil), nitrogen (N) fertilizer applications (kg N·ha−1·yr−1), and estimated C input to soil (Mg C·ha−1·yr−1). We categorized crop rotations into three broad categories: grain-only rotations, grain rotations with cover crops, and grain rotations with perennial crops. We divided the grain-only rotations into two sub-categories: cereal-only rotations and those that included both cereals and a legume grain. We compared changes in SOC and C input using mean effect sizes and 95% bootstrapped confidence intervals. Cover cropped and perennial cropped rotations, relative to grain-only rotations, increased C input by 42% and 23% and SOC concentrations by 6.3% and 12.5%, respectively. Within grain-only rotations, cereal + legume grain rotations decreased total C input (−16%), root C input (−12%), and SOC (−5.3%) relative to cereal-only rotations. We found no effect of species diversity on SOC within grain-only rotations. N fertilizer rates mediated the effect of functional diversity on SOC within grain-only crop rotations: at low N fertilizer rates (≤75 kg N·ha−1·yr−1), the decrease in SOC with cereal + legume grain rotations was less than at high N fertilizer rates. Our results show that increasing the functional diversity of crop rotations is more likely to increase SOC concentrations if it is accompanied by an increase in C input. Functionally diverse perennial and cover cropped rotations increased both C input and SOC concentrations, potentially by exploiting niches in time that would otherwise be unproductive, that is, increasing the “perenniality” of crop rotations.
A. E. King
J. Blesh
2018 - Ecological Applications
