Agricultural intensification systems enhance microbial activity and necromass contribution to soil carbon sequestration in tropical agroecosystems

Abstract

The Amazon region, a critical global carbon (C) sink, is increasingly threatened by agricultural expansion, causing soil disturbances that impact microbial activity, soil aggregation, and C dynamics. In the southern Amazon, Brazil, the potential of agricultural systems to sequester carbon (C) and improve soil health through microbial necromass remains largely unexplored. The scarcity of studies on the dynamics, contributions, and responses of microbial necromass in tropical systems highlights a critical gap, limiting not only the advancement of sustainable soil management strategies but also the Amazon region's contribution to mitigating the effects of global climate change. This study investigated the effects of agricultural intensification systems - crop succession (CS), crop-livestock integration (ICL), crop-livestock-forest integration (ICLF) and managed pasture (MP), after 11 years, on microbial activity, aggregate stability and C storage via microbial necromass in southern Amazonia. Soil samples were collected from 0.0-0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 e 0.2-0.3 m depth. The results showed that more intensified systems, such as ICL, ICLF and MP, increased the content of C and N, with emphasis on the increase in microbial biomass carbon (MBC), enzyme activity and microbial quotient, indicating greater microbial efficiency in the use of C. In addition, MP and ICLF showed greater stability of soil aggregates, evidenced by the increase in glomalin and average diameter of aggregate weight. Microbial necromass (MNC) was identified as a critical component in C sequestration, with a greater contribution from fungal necromass (>70%) in all systems. The ICLF system had the highest necromass accumulation coefficient (NAC), and biological and chemical factors such as MBC, acid phosphatase, β-glucosidase, arylsulfatase, phosphorus, cation exchange capacity, N and C, were determinants in the formation of MNC. These findings highlight the fundamental role of integrated systems and well-managed pastures in improving soil health, promoting nature-based solutions and carbon sequestration in the southern Amazon, Brazil, contributing to more sustainable and efficient agricultural practices.

A região amazônica, um sumidouro global crítico de carbono (C), está cada vez mais ameaçada pela expansão agrícola, causando distúrbios no solo que afetam a atividade microbiana, a agregação do solo e a dinâmica do C. No sul da Amazônia, Brasil, o potencial dos sistemas agrícolas para sequestrar C e melhorar a saúde do solo por meio da necromassa microbiana permanece amplamente inexplorado. A escassez de estudos sobre a dinâmica, a contribuição e a resposta da necromassa microbiana aos sistemas tropicais evidencia uma lacuna crítica, limitando não apenas o avanço de estratégias sustentáveis para o manejo do solo, mas também a contribuição da região amazônica para mitigar os efeitos das mudanças climáticas globais. Este estudo investigou os efeitos de sistemas de intensificação agrícola - sucessão de culturas (CS), integração lavoura-pecuária (ICL), integração lavoura-pecuária-floresta (ICLF) e pastagem manejada (MP), após 11 anos, na atividade microbiana, estabilidade de agregados e armazenamento de C via necromassa microbiana no sul da Amazônia. Amostras de solo foram coletadas de 0,0-0,05, 0,05-0,1, 0,1-0,2 e 0,2-0,3 m de profundidade. Os resultados mostraram que sistemas mais intensificados, como ICL, ICLF e MP, aumentaram o conteúdo de C e N, com destaque para o aumento do carbono da biomassa microbiana (MBC), atividade enzimática e quociente microbiano, indicando maior eficiência microbiana na utilização de C. Além disso, a MP e o ICLF apresentaram maior estabilidade dos agregados do solo, evidenciada pelo aumento de glomalina e diâmetro médio ponderado dos agregados. A necromassa microbiana (MNC) foi identificada como um componente crítico no sequestro de C, com maior contribuição de necromassa fúngica (>70%) em todos os sistemas. O sistema ICLF obteve o maior coeficiente de acúmulo de necromassa (NAC), e fatores biológicos e químicos, como o MBC, fosfatase ácida, β-glicosidase, arilsulfatase, fósforo, capacidade de troca de cátions, N e C, foram determinantes na formação de MNC. Esses achados destacam o papel fundamental dos sistemas integrados e das pastagens bem manejadas na melhoria da saúde do solo, na promoção de soluções baseadas na natureza e no sequestro de carbono no sul da Amazônia, Brasil, contribuindo para práticas agrícolas mais sustentáveis e eficientes.