Utilizzo delle cover crops e delle pacciamature biodegradabili per la gestione sostenibile in un agroecosistema

Agricultural activities contribute up to 20% of annual greenhouse gases emission on a global scale. Specialized orchards, one of the main examples of agricultural intensification, encourage this phenomenon especially in Mediterranean areas, where the scanty and discontinuous rainfall leads to frequent adoption of high auxiliary inputs (tillage, mineral fertilizers, synthetic herbicides and pesticides). The public opinion and government institutions therefore demand for new eco-friendly agronomic practices. Cover cropping and biodegradable plastic mulching may offer a sustainable and efficient option thanks to their multifunctional role in agroecosystems. Although cover crops are recognized to sustainably improve soil health, the impact of Trifolium subterraneum L. and biodegradable plastics (BPs) needs specific attention. This doctoral thesis is designed under a multidisciplinary approach to investigate, for the first time, the effect of different cover cropping treatments: subterranean clover and spontaneous flora, both with and without incorporation of plant residues into the soil, biodegradable and no-biodegradable plastic mulches, on soil quality (organic matter, nitrogen and nutrient dynamics, microbial communities), potential and real weed flora and apricot nutritional status. Subterranean clover cover cropping, with the burying of dead mulch into the soil, improved the amounts of SOM, ammoniacal and nitric nitrogen, macro- and microelements, the soil bacteria Nitrosomonas europaea and Azotobacter vinelandii, while reduced the seedbank size and aboveground weed biomass. Regarding the effect of biodegradable plastic mulching on soil microflora, the obtained results are scientifically relevant. After BP film appeared visibly degraded in field, a mesophilic bacterium with certain degradative potential was isolated from soil particles, attached to the polymer surface, and identified by sequencing as Pseudomonas putida. The same bacterium was also quantified by RT-PCR and found to be significantly more abundant in BP plots than the other treatments. In parallel, the role of some Basidiomycete fungal strains in the degradation process of biodegradable plastic mulch films has been tested. This research showed that the most active was definitely the fungal strain BRFM 902. Moreover, in all the performed tests a more evident fungal growth was detected in presence of biodegradable plastic films compared to the control. Overall, the results of cover cropping are promising and of fundamental importance for the sustainable management of weeds and fertilization in specialized orchards of Mediterranean agroecosystems, since they allow to reduce synthetic herbicides and nitrogenous mineral fertilizers and to increase agricultural methods that may have a lower impact on the environment. At the same time, Pseudomonas putida plays a key role in the degradation process, these preliminary results are scientifically relevant because only little information on the role of mesophilic bacteria in biodegradability of plastic mulch films in agricultural soils have been reported. Isolation of plastic-degrading microorganisms could lead to their use for amendments to soil where plastics need to be degraded or to accelerate the degradation process, thus reducing the plastic disposal problem in agriculture. However, it is important to perform further specific studies to understand if a synergic degradative action between the bacterium Pseudomonas putida and the selected Basidiomycete fungi occurs with the aim of accelerating the degradation times.

Le attività agricole contribuiscono fino al 20% delle emissioni annuali di gas serra su scala globale. I frutteti specializzati, uno dei principali esempi di intensificazione agricola, favoriscono questo fenomeno soprattutto nelle aree mediterranee, dove le scarse e discontinue precipitazioni portano all'adozione frequente di elevati input ausiliari (aratura, fertilizzanti minerali, erbicidi sintetici e agrofarmaci). L'opinione pubblica e le istituzioni governative chiedono quindi nuove pratiche agronomiche eco-compatibili. Il cover cropping e la pacciamatura con film biodegradabili possono offrire un'opzione sostenibile ed efficiente grazie al loro ruolo multifunzionale negli agroecosistemi. Sebbene le colture di copertura siano riconosciute per migliorare in modo sostenibile la salute del suolo, l'impatto del Trifolium subterraneum L. e delle plastiche biodegradabili (BP) richiede un'attenzione specifica. Questa tesi di dottorato è concepita secondo un approccio multidisciplinare per indagare, per la prima volta, l'effetto di diversi trattamenti: inerbimento con trifoglio sotterraneo e con flora spontanea, sia con che senza interramento dei residui organici, pacciamatura con film plastici biodegradabili e non biodegradabili, sulla qualità del suolo (sostanza organica, dinamica dell'azoto e dei nutrienti, comunità microbiche), flora infestante potenziale e reale e stato nutrizionale di una coltura di albicocco. Il cover cropping di trifoglio sotterraneo con interramento dei residui vegetali ha migliorato le quantità di sostanza organica, azoto ammoniacale e nitrico, macro- e microelementi, i batteri del suolo Nitrosomonas europaea e Azotobacter vinelandii, mentre ha ridotto le dimensioni della banca semi e la biomassa della porzione epigea delle piante infestanti. Per quanto riguarda l'effetto della pacciamatura biodegradabile sulla microflora del suolo, dalle particelle di suolo adese alla superficie dei film plastici, a seguito di una visibile degradazione in campo, è stato isolato un batterio mesofilo con alto potenziale degradativo, identificato mediante sequenziamento quale Pseudomonas putida. Tale batterio è stato successivamente quantificato mediante RT-PCR e risultato significativamente più abbondante nei trattamenti con film biodegradabili. Inoltre, è stato testato il ruolo di alcuni basidiomiceti nel processo degradativo dei film plastici e il ceppo fungino BRFM 902 ha mostrato le migliori potenzialità. Infine, in tutti i test eseguiti è stata rilevata una crescita fungina più evidente in presenza di film plastici biodegradabili rispetto al controllo. Nel complesso, i risultati del cover cropping sono promettenti e di fondamentale importanza per la gestione sostenibile delle erbe infestanti e la concimazione nei frutteti specializzati degli agroecosistemi mediterranei, poiché consentono di ridurre gli erbicidi sintetici e i fertilizzanti minerali azotati e di incrementare l’adozione di pratiche agricole di basso impatto ambientale. Al contempo, i risultati relativi alla pacciamatura biodegradabile sono scientificamente rilevanti poiché allo stato vi sono solo poche informazioni sul ruolo dei batteri mesofili nella biodegradazione dei film pacciamanti nei suoli agricoli, evidenziando il ruolo chiave del batterio Pseudomonas putida nel processo degradativo. L'isolamento di microrganismi con spiccate abilità degradative potrebbe portare al loro utilizzo come ammendanti del suolo dove i film plastici necessitano di essere degradati o per accelerare tale processo, riducendo così il problema dello smaltimento delle plastiche in agricoltura. Tuttavia, è necessario proseguire le ricerche con studi mirati per valutare una possibile azione degradativa sinergica tra il batterio Pseudomonas putida e i basidiomiceti selezionati nell’ottica di accelerare i tempi degradativi.