Effetto delle diverse pratiche agronomiche in risaia sulle dinamiche della sostanza organica e dei nutrienti del suolo

Organic matter (OM) plays a key role in mitigating global soil degradation due to its primary function as a source and store of nutrients, and its ability to interact with the mineral phase. OM dynamics in paddy soils may be strongly influenced by management of crop residues and by alternating soil redox conditions related to water management. In this thesis, the effects of different rice cultivation techniques on the dynamics of OM in paddy fields was evaluated as a function of time between the crop residue incorporation and flooding, organic matter additions, and fertilisation practices adopted. To achieve this objective, this work benefited from a field experimental platform dedicated to rice cultivation (single-cropped) for the last 30 years, in which different agricultural practices were compared since 2002. Soil samples collected from each plot at two depths were subjected to OM fractionation using chemical and physical techniques. The findings showed that humification and OM turnover increased with time between crop residue incorporation and submergence, thus having important implication on the physical and chemical properties of soil. Residue incorporation in autumn leads to faster OM turnover with respect to spring, due to a more rapid mineralisation. This promotes N availability for crops, particularly in times of shortage of mineral fertiliser. To assess the effect of different OM inputs, post-harvest burning of rice straw, incorporation of crop residues and maize-rice-rice rotation, were compared. The results showed that the different practices may affect the total content of organic C in soil. Furthermore, rotation with maize provides a larger contribution of crop residues and favours OM turnover, resulting in increased N availability. The incorporation of residues, only if done in the autumn, improves the quality of OM with respect to burning. In contrast, burning of straw should nonetheless be favoured with respect to its incorporation in spring. However, this former practice results in significant loss of OM and has important environmental consequences related to the emission of greenhouse gases. The evaluation of fertilization practices was carried out by comparing the application of pig slurries to mineral fertilization. A significant increase in organic C and N was observed in the plots receiving the slurry, particularly in plough pan, while no major differences in OM distribution between different fractions were observed. N budget in these systems is well balanced suggesting no significant losses, even though other studies have shown an increase in nitrate concentrations in the output water. Water management and crop residues can therefore significantly influence the distribution of OM and N availability, with important impacts on rice production and quality. Enhancing the functionality of OM may lead to a more sustainable management of rice fields. The use of livestock-derived slurries can further promote an increase in OM and partially substitute the mineral fertilizers employed if their distribution is conducted properly.

Riassunto La sostanza organica (SO) svolge un ruolo fondamentale nel contrastare la degradazione globale dei suoli per la sua funzione primaria di fonte e riserva di nutrienti e per la sua capacità di interazione con la fase minerale. Le dinamiche della SO nei suoli di risaia possono essere fortemente influenzate dalla gestione dei residui colturali e dall'alternanza di condizioni ossido-riducenti legate alla gestione dell'acqua. Nella presente tesi sono stati valutati gli effetti di diverse tecniche colturali sulle dinamiche della SO studiando l'influenza del tempo che intercorre tra l'interramento dei residui colturali e la sommersione, della matrice organica apportata al suolo e del tipo di fertilizzazione adottata. A tal fine è stato utilizzato un campo sperimentale in monosuccessione di riso da 30 anni e in condizioni controllate dal 2002: da ciascuna parcella è stato prelevato il suolo a due profondità ed è stata frazionata e caratterizzata la SO mediante metodo chimico e fisico. Le analisi effettuate mostrano che il maggior tempo a disposizione per la degradazione tra l'interramento dei residui colturali e la sommersione permette una buona umificazione e trasformazione della SO, che migliorano le proprietà chimico-fisiche del suolo. L'aratura in autunno, rispetto a quella primaverile, porta a un turnover più veloce della SO, determinato da processi di trasformazione e mineralizzazione più intensi. Ciò favorisce una maggiore disponibilità di N per le colture, essenziale soprattutto nei momenti di carenza del fertilizzante minerale. Per valutare l'effetto delle diverse matrici organiche sono state confrontate le seguenti tesi: bruciatura delle paglie, interramento dei residui colturali e rotazione mais-riso-riso. Dai risultati si evidenzia un maggiore contenuto di C organico quando il mais si alterna al riso. Inoltre la rotazione con il mais favorisce un più veloce turnover della SO e un maggior apporto di residui colturali, che si traduce in una maggiore disponibilità di N. L'interramento di residui, solo se fatto in autunno, migliora la qualità della sostanza organica rispetto alla bruciatura, indicando che qualora non sia possibile arare in autunno è meglio bruciare le paglie ma non bisogna dimenticare che bruciatura delle paglie significa perdita di sostanza organica ed emissioni di gas serra. Per valutare l'effetto della fertilizzazione si è confrontata una tesi con solo fertilizzante minerale rispetto ad una con liquame. Nella tesi liquamata si osserva un significativo aumento di C organico e azoto soprattutto nella suola di aratura, senza grandi differenze nella distribuzione tra le diverse frazioni organiche. Attuando un bilancio dell'azoto si osserva che il sistema è ben equilibrato e che non sono avvenute perdite significative dell'elemento anche se studi paralleli hanno messo in evidenza un aumento di nitrati nelle acque in uscita dalla camera. Da questi risultati emerge come la gestione dell'acqua e dei residui colturali possa influenzare notevolmente la distribuzione della SO e la disponibilità di N, con importanti ricadute sulla produzione e sulla qualità del riso. Potenziare gli aspetti relativi alla funzionalità della SO permette quindi di arrivare ad una gestione più sostenibile della risaia. L'utilizzo di reflui zootecnici può ulteriormente favorire l'aumento di SO e dei nutrienti sostituendo in parte la fertilizzazione minerale se la distribuzione è condotta in maniera corretta.