Enhancing soil quality in the Brazilian semi-arid through integrated livestock–forest systems: a multivariate analysis approach

Resumo

Sistemas integrados contribuem para a sustentabilidade agrícola ao promover a qualidade do solo. Este estudo avaliou o efeito de sistemas de integração lavoura-pecuária-floresta (ILPF) com diferentes espaçamentos e culturas na qualidade do solo na região semiárida brasileira. Os sistemas estudados incluíram quatro sistemas ILPF: ILPF com sorgo (So), palma forrageira (Fc), capim-massai (Mg) e capim-buffel (Bg), em espaçamentos de 7 m (S7), 14 m (S14) e 28 m (S28) entre faixas de árvores nativas, ou seja, Caatinga. Esses sistemas foram comparados com uma área de vegetação nativa (VN). Propriedades físicas [textura, densidade do solo, macroagregados, mesoagregados e microagregados], químicas [pH, P, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, carbono orgânico do solo (COS), nitrogênio total (NT), isótopo δ13C, matéria orgânica particulada (MOP) e matéria orgânica associada a minerais (MOAM)] e biológicas [carbono da biomassa microbiana (BMC) e respiração basal do solo (C-CO2)] do solo foram avaliadas usando análises multivariadas de PCA e o índice de estabilidade multivariado (multi-trait stability index—MTSI). Os resultados mostram que os sistemas ILPF com gramíneas, particularmente Mg e Bg, melhoram a qualidade do solo ao reduzir a perda de COS, MAOM, NT e BMC após a conversão de VN. Nestes sistemas (Mg e Bg), os ganhos de NT, MOP e BMC foram de até 11%, 34% e 35%, respectivamente. O COS foi a variável mais correlacionada com outros atributos do solo. A análise MTSI identificou os sistemas Mg S28 e Bg S28 como tendo o melhor desempenho médio e estabilidade entre múltiplas características do solo. O uso do MTSI foi eficaz para classificar os sistemas agrícolas.

Abstract

Integrated systems contribute to agricultural sustainability by promoting soil quality. This study evaluated the effect of integrated livestock-forest systems (ILF) with different spacings and crops on soil quality in the Brazilian semi-arid region. The studied systems included four ILF systems: ILF with sorghum (So), forage cactus (Fc), massai grass (Mg), and buffel grass (Bg), at spacings of 7 m (S7), 14 m (S14), and 28 m (S28) between strips of native trees viz. Caatinga. These systems were compared with an area of native vegetation (NV). Soil physical [soil texture, bulk density, macroaggregates, mesoaggregates, and microaggregates], chemical [pH, P, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), isotope δ13C, particulate organic matter (POM), and mineral-associated organic matter (MAOM)], and biological properties [microbial biomass carbon (MBC) and soil basal respiration (C-CO2)] were evaluated using multivariate PCA analyses and the multivariate stability index (multi-trait stability index—MTSI). The results show that ILF systems with grasses, particularly Mg and Bg, improve soil quality by reducing the loss of SOC, MAOM, TN, and MBC after the conversion from NV. In these systems (Mg and Bg), the gains of TN, POM, and MBC were up to 11%, 34%, and 35%, respectively. SOC was the variable most correlated with other soil attributes. The MTSI analysis identified the Mg S28 and Bg S28 systems as having the best average performance and stability across multiple soil characteristics. The use of MTSI was effective in classifying agricultural systems.