New options of soil amendment for sustainable management of rainfed olive groves

Agriculture is an important source of greenhouse gas (GHG) emissions, contributing strongly to climate change and, at the same time, it is one of the most affected economic sectors, particularly due to changes in rainfall and temperature patterns. As the regions with Mediterranean climate are "hot spots" of climate crisis, negative effects are expected on olive tree crop, especially under rainfed conditions. At the same time, we are witnessing soil degradation, a phenomenon that increases the causes and consequences of climate change in crops. Thus, it is crucial for rainfed olive cultivation to implement new agronomic practices in the fields of soil management in order to adapt rainfed olive groves to more adverse conditions and to mitigate climate change, by reducing GHG and increasing the sequestration of carbon. In the present study, composed of different experiments carried out in a nursery, upon the planting and in an adult olive grove, the effects of the application of wood ash, farmyard manure (FYM), municipal solid waste compost (MSW), mycorrhizal fungi, biochar and zeolites were evaluated, taking as reference the absence of fertilization and conventional mineral fertilization. Chemical indicators of soil quality, physiological performance and the nutritional status of trees, as well as tree growth and crop yield were assessed. The effect of commercial mycorrhizal fungi on pre-rooted olive cuttings was assessed in two greenhouse experiments. The first, arranged as a factorial design with three cultivars (Cobrançosa, Madural and Verdeal Transmontana) and three soil treatments (commercial mycorrhizal fungi, zeolites and control), and the second as a completely randomized design with three treatments (commercial mycorrhizal fungi, sterilized soil, and control). Cobrançosa grew better than the other cultivars, showing good rooting and initial growth features. The commercial mycorrhizal fungi reduced plant dry matter in a strictly association with leaf number and leaf area. Moreover, this response was also explained by competition for photosynthates between plant growth and the expansion of fungi hyphae. Cuttings of reduced leaf area and a twin-wall polycarbonate cover of the greenhouse, somewhat opaque to photosynthetically active radiation, may also have contributed to reduce the maximum photosynthetic capacity and the growth of inoculated plants. However, in the mycorrhized pots the soil organic carbon (C) increased, probably due to the presence of fungi hyphae in soil samples. Zeolites reduced plant dry matter yield and tissue phosphorus (P) concentration compared to the control, while increasing the availability in the soil of the cations that enter in their composition. This study shows that the inoculation with mycorrhizal fungi of underdeveloped cuttings can delay their growth. Although these plants may be better prepared to grow in the field, in the short term their lower development can be a problem for the nurseryman. In the second experiment, four soil treatments, consisting of two commercial mycorrhizal fungi, one zeolite and an untreated control, were arranged in a factorial design with two foliar fertilization treatments, a foliar spray and control, to study the effects of commercial mycorrhizal fungi and zeolites on the growth of young rainfed olive trees planted in a very acidic soil. The concentration in plant tissues of most of the essential nutrients, in particular nitrogen (N), phosphorus, potassium (K) and boron (B), did not significantly change with soil treatments, whereas leaf N and B concentrations significantly increased with foliar fertilization. Leaf calcium (Ca) and magnesium (Mg) levels were found to be much lower than their respective sufficiency ranges and increased with soil amendments, also giving positive outcomes for plant water status, photosynthetic activity and assimilation area. Ultimately, the mycorrhizal fungi increased the growth of the young trees, whereas the effect of zeolites was much smaller and not significantly different to the control. Thus, it seems that in a very acidic soil and under rainfed conditions, the major benefits for plants from the application of mycorrhizal fungi and zeolites were the alleviation of drought stress and tissue Ca and Mg disorders. Waste from domestic, agricultural or industrial activities should be recycled, and its use as a soil amendment is an interesting possibility. In this four-year study, the effects of applying MSW, FYM, bottom wood ash supplemented with nitrogen, the inorganic fertilization common in the region (50 kg ha-1 N, P2O5 and K2O) (Control) and this inorganic fertilization supplemented with 70 kg N ha-1 (High N) was assessed in a rainfed olive grove planted in a shallow soil with low organic matter and managed with conventional tillage. The High N treatment significantly increased olive yield in comparison to the other treatments (+ 165% than MSW), and soil available N proved to be the main driver of tree productivity. MSW and FYM increased soil organic matter, as well as the levels of phosphorus and cation exchange capacity (CEC), leaving good indications for the future, although during the four years of the study they provided little N to the trees. The High N treatment significantly reduced soil organic matter (- 63% less than MSW). The result was attributed in part to the soil management system that not allowed the development of herbaceous vegetation, but also to an effect known as added N interaction, in which the excess of inorganic N in the soil will have contributed to accelerate the mineralization of native soil organic matter, an aspect that compromises the sustainability of this fertilization strategy. Although MSW and wood ash are associated with risks of environmental contamination with heavy metals, in this study the levels of heavy metals in soils or in plant tissues were not of concern. Soil conditioners and beneficial microorganisms are expected to reduce the use of chemical fertilizers in low intensive agricultural systems. In the last study, a field trial of four years was conducted to assess the effect of biochar, zeolites and a commercial mycorrhizal inoculum, all without mineral fertilizer, in the photosynthetic performance, nutritional status of trees, olive yield and soil properties. The experimental design also included a fertilizer treatment with N, P, K and B, which nutrients were applied at 50 kg ha-1 of N, P2O5 and K2O and 2 kg ha-1 of B, and an untreated control. The mineral fertilizer treatment increased significantly the dry mass of pruning wood and the average olive yield by 21% over the control treatment. The mineral treatment increased plant N nutritional status, the most probable reason why the trees of this treatment performed better. Overall, the soil treatments had similar net photosynthetic rates and higher than the control treatment, from the second year onwards. Mineral treatment and biochar increased soil organic matter, the former probably due to increased development of weeds and olive roots, the latter as a result of the carbon contained in the amendment itself. Biochar and zeolites did not improve the productive performances of the tress, but increased soil CEC, which can benefit the system in the long-term. Mycorrhizal fungi did not show any benefit for soil or plants, which may mean that mycorrhization was not established. The trees would already be mycorrhized by native microorganisms, which seems to reduce the interest of using commercial mycorrhizal fungi in orchards of mature trees. Pulling up together the results of the experiments, a better understanding about the effects of soil conditioners and biofertilizers on soil and olive trees were achieved. Significant different responses were verified among experiments. In fact, only one study, the one carried out in young rainfed olive trees planted in a very acidic soil, showed evident benefits of the application of commercial mycorrhizal fungi and, to a lesser extent, of zeolites on plants growth that were mediated by increments of stomatal conductance, net photosynthetic rate and leaf area, and by the alleviation of tissue Ca and Mg disorders. Conversely, reduced plant biomass was observed in nursery olive plants treated with biofertilizers and zeolites, mainly due to a drop in leaf area. Meanwhile, all tested materials did not show significant positive or negative effects on plants established in an adult olive grove. It should be noted that, despite the non‐ application of mineral fertilizers in biochar, zeolites and mycorrhizal treatments, their photosynthetic performance and crop yield were identical to mineral fertilizer treatment, which is of great interest. In the same way, the three organic amendments (FYM, MSW, wood ash) presented similar crop performance than the common inorganic fertilization in the region. In summary, the data obtained in this thesis demonstrate that the application of these materials bring some measurable benefits to soil and/or trees under rainfed conditions and can be competitive, at least in part, with inorganic fertilization and help to create a more sustainable cropping system within the Mediterranean region. Thus, farmers and policymakers can expect that these options of soil amendment to simultaneously benefit soil quality, and climate change adaptation and mitigation.

A agricultura é uma fonte importante de emissões de gases com efeito de estufa (GEE), contribuindo fortemente para as alterações climáticas e, ao mesmo tempo, é um dos setores económicos mais afetados, particularmente devido à modificação dos padrões de precipitação e temperatura. Sendo as regiões com clima mediterrânico “pontos quentes” da crise climática, são esperados efeitos negativos na cultura da oliveira, especialmente sob regime de sequeiro. Ao mesmo tempo, assistimos à degradação do solo, fenómeno que potencia as causas e as consequências das alterações climáticas nas culturas. Assim, é crucial para a olivicultura de sequeiro a implementação de novas práticas agronómicas nos domínios da gestão do solo de modo a adaptar os olivais de sequeiro a condições mais adversas e a mitigar as alterações climáticas, pela redução de GEE e pelo aumento do sequestro do carbono. No presente estudo, composto por experiências efetuadas em viveiro, à instalação do olival e em olival adulto, foram avaliados os efeitos da aplicação de cinzas de biomassa, estrume, resíduos sólidos urbanos, fungos micorrízicos arbusculares, biochar e zeólitos, tomando como referências a ausência de fertilização e a fertilização mineral convencional, em indicadores químicos do solo, de performance fisiológica e do estado nutritivo das árvores, bem como de crescimento e produção de azeitona. O efeito de uma mistura comercial de fungos micorrízicos em estacas de oliveira préenraizadas foi avaliado em duas experiências efetuadas em viveiro. A primeira, realizada segundo um delineamento fatorial com três cultivares (Cobrançosa, Madural e Verdeal Transmontana) e três tratamentos ao solo (fungos micorrízicos, zeólitos e controlo), e a segunda sob um delineamento inteiramente casualizado com três tratamentos (fungos micorrízicos, solo esterilizado e controlo). A cultivar Cobrançosa cresceu melhor que as outras cultivares, apresentando bom enraizamento e características iniciais de ótimo crescimento. As plantas micorrizadas apresentaram crescimento reduzido em comparação com as do tratamento controlo, em estreita associação com o número de folhas e a área foliar. Aquele resultado foi ainda explicado pela grande competição por fotoassimilados destinados ao crescimento das plantas e à expansão das hifas dos fungos. Estacas de área foliar reduzida e a cobertura de policarbonato de parede dupla da estufa, um tanto opacas à radiação fotossinteticamente ativa, também podem ter contribuído para reduzir a capacidade fotossintética máxima e retardar o crescimento das plantas inoculadas. Porém, nos solos correspondentes às plantas micorrizadas, o carbono orgânico (C) do solo aumentou, provavelmente devido à presença de hifas de fungos nas amostras de solo. A aplicação de zeólitos reduziu a produção de matéria seca da planta e a concentração de fósforo (P) nos tecidos em relação ao tratamento controlo, ao mesmo tempo em que aumentou a disponibilidade no solo dos catiões que entram na sua composição. Este estudo mostra que a inoculação com fungos micorrízicos em estacas pouco desenvolvidas pode retardar o seu crescimento. Embora essas plantas possam estar mais bem preparadas para crescer no campo, no curto prazo o seu baixo desenvolvimento pode ser um problema para o viveirista. Na segunda experiência, quatro tratamentos ao solo, consistindo de dois produtos micorrízicos comerciais, um zeólito e um controlo não tratado, foram dispostos num delineamento fatorial com dois tratamentos de fertilização foliar (pulverização foliar e controlo), para estudar os efeitos dos fungos micorrízicos e zeólitos no crescimento de oliveiras jovens plantadas num solo muito ácido. A concentração nos tecidos vegetais da maioria dos nutrientes essenciais, em particular azoto (N), P, potássio (K) e boro (B), não mudou significativamente com os tratamentos ao solo, enquanto as concentrações de N e B nas folhas aumentaram significativamente com fertilização foliar. Os teores de cálcio (Ca) e magnésio (Mg) nas folhas registaram valores muito mais baixos do que os seus limites de suficiência, tendo aumentado com a aplicação dos condicionadores do solo, o que se refletiu positivamente no estado hídrico da planta, atividade fotossintética e dimensão da área assimiladora. Em última análise, os fungos micorrízicos aumentaram o crescimento das árvores jovens, enquanto o efeito dos zeólitos foi muito menor e não significativamente diferente do tratamento controlo. Assim, parece que num solo muito ácido e sob condições de sequeiro, os principais benefícios para as plantas com a aplicação de fungos micorrízicos e zeólitos foram o alívio do stresse hídrico e dos distúrbios de Ca e Mg nos tecidos. Os resíduos de atividades domésticas, agrícolas ou industriais devem ser reciclados, sendo o seu uso como condicionador do solo uma possibilidade interessante. Num estudo de quatro anos efetuado em olival adulto, os efeito da aplicação de composto de resíduos sólidos urbanos (MSW), estrume (FYM), cinza de biomassa suplementada com azoto, fertilização inorgânica comum na região (50 kg ha-1 N, P2O5 e K2O) (Controlo) e esta adubação inorgânica suplementada com 70 kg N ha-1 (Alto N) foram avaliados num olival de sequeiro plantado em solo com baixo teor de matéria orgânica e gerido com mobilização convencional. O tratamento com Alto N aumentou significativamente a produtividade da oliveira em comparação aos outros tratamentos (+ 165% do que o MSW), sendo o N disponível no solo o principal impulsionador da produtividade das árvores. Os tratamentos MSW e FYM aumentaram o teor de matéria orgânica do solo, assim como os níveis de fósforo e a capacidade de troca catiónica (CEC), deixando boas indicações para o futuro, embora durante os quatro anos de estudo tenham fornecido pouco N às árvores. O tratamento com Alto N reduziu significativamente a matéria orgânica do solo (- 63% menos que o MSW). O resultado foi atribuído em parte ao sistema de gestão do solo que não permitiu o desenvolvimento da vegetação herbácea, mas também a um efeito conhecido como interação do N adicionado, em que o excesso de N inorgânico no solo terá contribuído para acelerar a mineralização da matéria orgânica do solo, aspeto que compromete a sustentabilidade desta estratégia de fertilização. Embora os MSW e as cinzas de biomassa estejam associados a riscos de contaminação ambiental com metais pesados, neste estudo os níveis de metais pesados no solo e nos tecidos vegetais não foram preocupantes. Espera-se que os condicionadores de solo e os microrganismos benéficos reduzam o uso de fertilizantes químicos em sistemas agrícolas de baixa intensidade. A última experiência, em ensaio de campo de quatro anos, realizado em olival adulto, foi conduzida para avaliar o efeito da aplicação de biochar, zeólitos e um inóculo micorrízico comercial, todos sem a aplicação de fertilizantes químicos, no desempenho fotossintético, estado nutricional das árvores, produtividade da oliveira e propriedades do solo. O delineamento experimental também contemplou um tratamento controlo (não tratado) e o tratamento com fertilizantes minerais, doseando 50 kg ha-1 de N, P2O5 e K2O e 2 kg ha- 1 de B. O tratamento com fertilizantes minerais aumentou significativamente a produção de lenha de poda e o rendimento médio da produção de azeitona, tendo atingido 21% em relação ao tratamento controlo. O tratamento mineral melhorou as concentrações de N nas folhas, o motivo mais provável pelo qual as árvores deste tratamento tiveram melhor desempenho. Em geral, as árvores dos tratamentos com condicionadores do solo tiveram taxas fotossintéticas líquidas muito idênticas entre si e maiores do que no tratamento controle, a partir do segundo ano. Os tratamentos com fertilização mineral e biochar aumentaram a matéria orgânica do solo, o primeiro provavelmente devido ao aumento do desenvolvimento de ervas daninhas e à maior proliferação de raízes, enquanto no tratamento com biochar foi o resultado do carbono contido no próprio condicionador. A aplicação de biochar e de zeólitos não melhorou o desempenho produtivo das árvores, mas aumentou a CEC do solo, o que pode beneficiar o sistema no longo prazo. Os fungos micorrízicos não mostraram nenhum benefício para o solo ou para as árvores, o que pode significar que a micorrização não foi estabelecida. As árvores já estariam micorrizadas por microrganismos nativos, o que parece reduzir o interesse do uso de fungos micorrízicos comerciais em olivais adultos. A conjugação dos resultados das diferentes experiências permitiu obter um melhor entendimento sobre os efeitos dos condicionadores de solo e do biofertilizante, quer no solo, quer nas oliveiras. Foram verificadas respostas significativamente diferentes nas experiências efetuadas. De facto, apenas um estudo, realizado em oliveiras jovens plantadas em solo muito ácido, mostrou benefícios evidentes da aplicação da mistura comercial de fungos micorrízicos e, em menor grau, do uso de zeólitos no crescimento das plantas, tendo sido mediados pelos incrementos da condutância estomática, taxa fotossintética líquida e área foliar, e pelo alívio dos distúrbios nas concentrações de Ca e Mg nos tecidos. Em oposição, nas plantas em viveiro verificou-se a redução da produção de biomassa com a aplicação do biofertilizante e de zeólitos, principalmente devido à diminuição da área foliar. Por outro lado, nenhum dos materiais testados mostrou efeitos significativos, positivos ou negativos, nas oliveiras adultas. No entanto, é de realçar que, apesar da não aplicação de fertilizantes minerais nas parcelas com biochar, zeólitos e fungos micorrízicos, a performance fotossintética e a produtividade das oliveiras foram idênticas ao tratamento com fertilizante mineral, o que é manifestamente de grande interesse. Da mesma forma, as oliveiras que receberam a aplicação dos três materiais orgânicos (FYM, MSW, cinzas de biomassa) apresentaram desempenhos fisiológicos e agronómicos semelhantes às plantas sujeitas à fertilização inorgânica usual na região. Em síntese, os resultados obtidos neste trabalho demonstram que a aplicação destes materiais ao olival de sequeiro conduz a alguns benefícios para o solo e/ou para as árvores, pode ser competitivo, pelo menos em parte, com a fertilização inorgânica, e dá suporte a um modo de produção mais sustentável na região mediterrânica. Assim, os agricultores e os decisores políticos podem esperar que as presentes opções de gestão do solo beneficiem a qualidade do solo e contribuam para a adaptação e mitigação das mudanças climáticas.