L’accumulo di carbonio nel suolo è stimolato dalla ricchezza specifica e dalla diversità funzionale delle piante

Chiara Palandrani, Flavio Fornasier, Giorgio Alberti

Parole chiave: ricchezza specifica; diversità funzionale; accumulo di C nel suolo; imboschimenti.

Una lunga serie storica di teoria e sperimentazione, principalmente basate su comunità erbacee, sostiene l’ipotesi che la biodiversità sia fortemente correlata con funzioni e servizi ecosistemici. Esperimenti atti a correlare questi servizi con la biodiversità forestale sono in aumento, ma a causa delle grandi dimensioni e dei numerosi livelli di diversità specifica, sono solo di recente installazione e rappresentano un numero limitato di tipologie forestali. Il suolo è in grado di accumulare circa 3 volte la quantità di carbonio (C) rispetto la vegetazione e di stoccarlo per periodi di tempo più lunghi. Queste grandi riserve di C sono il risultato di un equilibrio dinamico tra input (lettiera, radici morte, essudati radicali) e output (decomposizione microbica, percolamento). Di conseguenza, questo bilancio può essere affetto da cambiamenti nella composizione specifica e dai differenti tassi di crescita delle piante, da sfalci o potature o altri elementi di disturbo, come anche da cambiamenti climatici o deposizioni di azoto. In particolare, la decomposizione della lettiera e il turnover della materia organica nel suolo possono essere alterati dalla diversità specifica delle piante a causa delle differenze in quantità, qualità, tempi di deposizione della lettiera, ma anche delle condizioni microclimatiche nel sottobosco. Nonostante alcuni studi abbiano evidenziato effetti positivi della ricchezza specifica delle piante sulle dinamiche del suolo, solo pochi lavori hanno considerato interi ecosistemi forestali e/o ideato esperimenti per comprendere specificatamente le relazioni tra diversità funzionale e dinamiche del C organico nel suolo. Questo, in parte, è dovuto ai lenti cambiamenti dei pool di C, all’elevata eterogeneità dei suoli e alla complessità dei processi coinvolti.

IV Congresso Nazionale di Selvicoltura - Torino, 5-9 Novembre 2018

Il bosco: bene indispensabile per un presente vivibile e un futuro possibile 75 Abbiamo studiato le relazioni tra ricchezza specifica, diversità funzionale e accumulo di C nel suolo in sei impianti misti stabiliti 19 anni fa a Coseano (Udine, Nord-est d’Italia) su terreni precedentemente coltivati a mais. Gli impianti si differenziano solo per il numero di specie (3, 4, 6, 7, 9 e 11) mentre condizioni climatiche, età e densità degli impianti, tipologia di suolo, irrigazione e fertilizzazione sono gli stessi.

In ogni impianto sono stati identificati quattro plot. In tutti i plot sono stati misurati composizione specifica, diametro e altezza degli alberi e sono stati prelevati 5 campioni di suolo (0-15 cm) e 3 campioni di foglie per ogni specie. In aggiunta sono stati prelevati dal campo coltivato a mais più vicino all’impianto 5 campioni di suolo (0-15 cm), come riferimento per la marcatura isotopica di tipo C4 della materia organica nel suolo. In più, abbiamo indagato sulla variazione dell’accumulo di C lungo il profilo del suolo. A questo scopo abbiamo prelevato una carota di 60 cm in ogni plot e in ogni campo di mais utilizzando una trivella pneumatica a benzina (Eijkelkamp, the Netherlands). Ogni carota è stata successivamente divisa in 4 orizzonti (0-15, 15-30, 30- 45, 45-60 cm), esiccata e conservata in vials. Per ogni punto di campionamento (e di profondità per i profili di 60 cm) sono stati misurati il contenuto totale di C organico e azoto (N) (g kg−1), δ13C e δ15N utilizzando un analizzatore elementale CHNS (Vario Microcube, © Elementar) associato a uno spettrometro di massa a flusso continuo (Isoprime 100, © Elementar). Prima dell’analisi tutti i campioni di suolo sono stati trattati con HCl per eliminare i carbonati. I valori di δ13C della materia organica sono stati utilizzati per calcolare la proporzione del nuovo carbonio presente nel suolo (fnew, il C derivato dall’attuale vegetazione forestale) utilizzando un’equazione a bilanciamento di massa. E’ stata calcolata anche la densità del suolo per ogni orizzonte utilizzando il profilo di suolo di 60 cm. Per ogni campione di foglie sono stati misurati in laboratorio area fogliare specifica, spessore fogliare, contenuto di C e N (g kg−1), δ13C e δ15N. Con questi tratti, insieme con la matrice di abbondanza delle specie per impianto, è stato calcolato l’Indice di Dispersione Funzionale, un proxy di diversità funzionale.

Lo stock di C nel suolo risulta diminuire lungo il profilo in tutti gli impianti e campi di mais considerati e in generale, la maggior parte di C organico è stoccata nei primi 2 orizzonti (0-15 e 15-30 cm). L’utilizzo del suolo ha influito significativamente sull’accumulo del C sia nei primi 15 cm che lungo l’intero profilo visto che gli impianti mostrano un significativo aumento del C totale accumulato in 19 anni dalla conversione con chiare differenze legate al numero delle specie presenti e alla diversità funzionale. Infatti è stato trovato un aumento significativo del rapporto tra accumulo totale di C negli impianti e stock totale di C nei campi di mais, sia in relazione alla ricchezza specifica che alla diversità funzionale degli impianti e che fnew è correlato positivamente con entrambe queste misure.

I nostri risultati sono coerenti con quelli ottenuti in altri esperimenti con manipolazione del numero di specie eseguiti su comunità erbacee e danno una prima indicazione del fatto che la diversità funzionale può essere più importante della ricchezza specifica nel sequestro di C nel suolo.

Soil carbon sequestration is enhanced by tree species richness and functional diversity Keywords: species richness; functional diversity; soil carbon stock; forest plantations.

A long history of ecological experimentation and theories, mostly based on grassland ecosystems, supports the idea that ecosystem functions (EFs) and services (ESs) are strongly related to biodiversity. Initiatives aimed at relating tree richness to EFs/ESs are emerging, but large scale experiments and networks encompassing several richness levels have been installed only recently and represent a limited number of forest types. Soils store three times more carbon (C) than terrestrial vegetation and for longer periods of time. This large C reservoir results from a dynamic equilibrium between C inputs (i.e. aboveground litter, dead roots and root exudates) and outputs (microbial decomposition and leaching). Therefore, this balance may be affected by changes in species composition and plant growth, harvesting and other disturbances as well as it to other processes such as climate change and nitrogen deposition. In particular, litter decomposition and the turnover of labile soil organic matter (SOM) could be affected by tree species diversity due to differences in litter quantity and quality, in timing of litter inputs, but also in microclimatic conditions within a stand. Even though several studies have underlined the positive effects of plant species richness on soil processes, only few of them have considered forest ecosystems and/or have been designed to specifically

IV Congresso Nazionale di Selvicoltura - Torino, 5-9 Novembre 2018

Il bosco: bene indispensabile per un presente vivibile e un futuro possibile 76 investigate the links between functional diversity and soil organic C dynamics. This is partially due to the fact that C pools change slowly, soil heterogeneity is large, and the processes involved are complex.

Hence, we investigated the relationships between tree species richness, functional diversity and soil C storage in six mixed deciduous plantations established 19 years ago in Coseano (Udine, North-east of Italy) on former arable lands (maize). The plantations differed only in the number of species (3, 4, 6, 7, 9 and 11) whereas climatic conditions, stand age, tree density, soil type, past irrigations and past fertilizations were the same.

In each plantation, four sampling plots were identified. In all the plots, tree species composition was assessed, tree diameter and height were measured, five soil samples (0-15 cm) and three leaf samples per species were collected. In addition, five soil samples (0-15 cm) were taken at the nearest maize-cultivated field to each plantation, as reference for the C4 isotopic signature of SOM. We also investigated the variation of soil C accumulation along the soil profile. For this purpose, we took one soil core up to 60 cm depth in each plot by using a petrol driven pneumatic auger (Eijkelkamp, the Netherlands). Each soil core was then divided in four different horizons (0-15, 15-30, 30-45, 45-60 cm), dried and stored in plastic tubes.

Total soil organic C and nitrogen (N) (g kg−1), δ13C and δ15N were measured for each single sampling point (and depth in the case of the 0-60 cm soil profile) using a CHNS Elemental Analyser (Vario Microcube, © Elementar) coupled to a continuous flow measurement mass spectrometer (Isoprime 100, © Elementar). Prior to analyses, soil samples were treated with HCl to eliminate carbonates. δ13C values of the SOM were used to calculate the proportion of new soil carbon (fnew, i.e. the C derived from the current forest vegetation) by using a mass balance equation. Soil bulk density was also assessed for each soil depth by using the 0-60 cm soil profile.

Specific leaf area, leaf thickness, C and N content (g kg−1), δ13C and δ15N were also measured in the lab for each leaf sample. Then, we calculated the Functional Dispersion Index, a proxy of functional diversity, using the measured leaf traits and the tree species’ abundance matrix within each plantation.

Soil C stocks decreased with depth and most of the soil C was stored in the first 30 cm at all the considered maize fields and plantations. Land use significantly influenced the soil C stock both at 0-15 cm and along the entire profile as the 19-years-old plantations showed a clear and significant increase in total soil C with clear differences related to the number of planted species and the functional diversity. In fact, a significant increase in the ratios between the total soil C stock in the plantation and the total C stock in the close-by maize’s field were detected with both tree species richness and overall functional diversity and fnew was positively related with these two metrics. Our results are consistent with those made in several controlled experiments by manipulating the number of species in grasslands and give a first indication that tree functional diversity is even more important than tree species richness for soil C sequestration.

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S. 2.22 Relazioni tra struttura forestale e abbondanza dei coleotteri saproxilici in un bosco misto di