Soil carbon cycling and stabilization in a no-tilled cropping system on Oxisols under nitrogen fertilization

Abstract

Understanding carbon (C) dynamics in sustainable agricultural tropical systems is crucial for enhancing Brazil’s role in discussions on nature-based solutions for C sequestration in the tropics. In this research, we assessed whether intercropped maize-forage systems, with and without nitrogen (N) fertilization, promote C cycling in the soil. We tested the concept of C saturation and explored the controls on soil organic matter (SOM) formation, focusing on tropical croplands. In the first chapter, we evaluated whether new C inputs from maize intercropped with ruzigrass (Urochloa ruziziensis cv. Comum), palisade grass Urochloa brizantha cv. Marandu), and Guinea grass (Megathyrsus maximum cv. Tanzânia) in the presence or absence of N fertilization affect soil aggregation and C cycling. We specifically examined the bulk soil, particulate (POM) and mineral-associated organic matter (MAOM) fractions, as well as macro- and microaggregates, up to 40 cm soil depth, by measuring variations in the abundance of the natural isotope 13C. New C inputs promoted C cycling in bulk soil, POM, MAOM, and macro- and microaggregates, although these effects were restricted to the topsoil. N fertilization of the intercropped maize–forage systems reduced the proportion of aggregates >2 mm and the mean weight diameter of aggregates by lowering soil pH. Aggregates >2 mm and > 0.5 mm were significant sinks of C and N up to a soil depth of 40 cm. In the second chapter, we tested the hypothesis of C saturation in MAOM in Brazilian croplands and examined the effect of N fertilization on C stabilization in POM and MAOM fractions. We also analyzed the influence of climate, soil texture and chemical attributes on POM and MAOM formation using a Random Forest machine-learning algorithm. Our findings indicated no C saturation in MAOM and no significant effect of N fertilization on POM and MAOM levels. Our Random Forest (RF) model accurately predicted MAOM but only poorly POM. Key predictors for MAOM and POM formation included total organic carbon (TOC), total N, silt plus clay, phosphorus (P), and soil depth, zinc (Zn), cation exchange capacity, TOC covariates, respectively. The results provide insights into C cycling across SOM pools and aggregates, highlight the C saturation status in croplands and emphasize the role of N, climate, soil chemical attributes and texture in determining C distribution into MAOM and POM across soil depths in tropical conservation agricultural systems.

Compreender a dinâmica do carbono (C) em sistemas agrícolas tropicais sustentáveis é crucial para fortalecer o papel do Brasil nas discussões sobre soluções baseadas na natureza para a captura de C nos trópicos. Nesta pesquisa, foi avaliado se sistemas consorciados com milho e espécies forrageiras, com e sem fertilização com nitrogênio (N), promovem a ciclagem de C no solo. Foi testado o conceito de saturação de C e foram explorados os controles sobre a formação da matéria orgânica do solo (MOS), com foco em terras agrícolas tropicais. No primeiro capítulo, foi avaliada a contribuição de novos aportes de C provenientes do consórcio de milho com braquiária (Urochloa ruziziensis cv. Comum), capim-marandu (Urochloa brizantha cv. Marandu) e capim-tanzânia (Megathyrsus maximum cv. Tanzânia), na presença ou ausência de fertilização com N, para a agregação do solo e a ciclagem de C. Especificamente, foi examinado o solo 2-mm, as frações de matéria orgânica particulada (POM) e matéria orgânica associada a minerais (MAOM), bem como os macro e microagregados, até uma profundidade de 40 cm, medindo variações na abundância do isótopo natural 13C. O aporte de C novo promove a ciclagem de C no solo 2-mm, POM, MAOM e nos macro e microagregados, embora esses efeitos estivessem restritos à camada superficial do solo. A fertilização com N dos sistemas consorciados de milho e forrageiras reduziu a proporção de agregados >2 mm e o diâmetro médio ponderado dos agregados, provavelmente devido a redução do pH do solo. Agregados >2 mm e >0,5 mm foram sumidouros significativos de C e N até uma profundidade de 40 cm. No segundo capítulo, foi testada a hipótese de saturação de C em MAOM em solos agrícolas brasileiros e foi examinado o efeito da fertilização com N na estabilização de C nas frações POM e MAOM. Também foi analisada a influência do clima, textura do solo e atributos químicos na formação de POM e MAOM, utilizando um algoritmo de aprendizado de máquina Random Forest. Foi observada ausência de saturação de C em MAOM e nenhum efeito significativo da fertilização com N nos níveis de POM e MAOM. O modelo Random Forest (RF) previu com precisão a MAOM, mas teve desempenho inferior para POM. Os principais preditores para a formação de MAOM e POM incluíram carbono orgânico total (TOC), nitrogênio total, silte mais argila, fósforo (P), e profundidade do solo, zinco (Zn), capacidade de troca catiônica, TOC covariáveis, respectivamente. Os resultados fornecem insights relativos à ciclagem de C nos diferentes pools da MOS e agregados, destacam o estado de saturação de C em solos agrícolas e enfatizam o papel do N, clima, atributos químicos do solo e textura na determinação da distribuição de C em MAOM e POM no perfil do solo em sistemas agrícolas tropicais conservacionistas.