Investigating the effects of SOC on soil structure: three-dimensional visualisation and modelling

The quantification of soil structure is primordial to determine the effects of management practices on soil environment. Soil structure is influenced by soil organic carbon content (SOC), which is usually recognised as one of the main indicator of soil fertility as it improves structure stability. Complex interactions link the soil structure and SOC that acts as a binding agent promoting aggregation. Several studies focussed on SOC dynamics and the relationship with soil aggregate microporosity, which is usually considered as a surrogate of the soil matrix complexity, neglecting the soil macropores outside aggregates. Therefore, the measures made at aggregate scale form only a small part of the important and complex properties of soil. Accordingly, it is important to quantify the effects that SOC exerts both is soil aggregates and undisturbed cores. The general aim of this work is to study the effects of different fertilisations (organic, mineral and mixed) applied to continuous maize by means of a long-term experiment established in 1962 in north-eastern Italy, analysing both small aggregates (few mm) and undisturbed soil cores (5 cm diameter, 6 cm length) with innovative three-dimensional techniques. The thesis is structured in five chapters. The first one is a review of the soil structure-SOC interactions and innovative three-dimensional methods involved in soil structure quantification. The second chapter analyses the effects of SOC and its humic fraction on the mechanisms of aggregate breakdown and improves upon the knowledge of aggregate structural properties. The third chapter compares and combines mercury intrusion porosimetry (MIP) and X-ray computer assisted microtomography (micro-CT) for characterising the soil structure. The fourth chapter analyses the 3D soil structure of undisturbed soil cores and the effects of SOC. The final chapter presents the general conclusions of the work.

La quantificazione della struttura del suolo è di primaria importanza per determinare gli effetti di diverse pratiche colturali sul terreno. La struttura è influenzata dal contenuto di carbonio organico (SOC), il quale è ampiamente identificato come il principale indicatore della fertilità del suolo, anche grazie alle sua attitudine di migliorarne la struttura fisica. Le interazioni che legano la struttura al SOC sono complesse e principalmente legate alla capacità di agire come agente aggregante tra le particelle che compongono la matrice del suolo. Molti studi si sono concentrati sulle dinamiche che legano il SOC e la microporosità degli aggregati (che è riconosciuta come un surrogato della complessa struttura del suolo) trascurando, in questo modo, la macroporosità, la quale non è individuabile in campioni di piccole dimensioni. Le misure fatte a scala di aggregato, perciò, ricoprono solo una parte delle importanti e complesse proprietà di un suolo. Di conseguenza è importante valutare l’effetto che esercita il SOC sia in piccoli aggregati che in campioni indisturbati. L’obiettivo generale di questo lavoro è valutare gli effetti di diversi regimi di fertilizzazione (organica, minerale e mista) in una prova di lungo periodo, iniziata nel 1962, gestita secondo una monosuccessione di mais. Sono stati analizzati sia aggregati di piccole dimensioni (pochi mm), che campioni indisturbati (5 cm di diametro, 6 cm di altezza), con innovative tecniche tridimensionali. La tesi è strutturata in cinque capitoli: il primo è una review sulle interazioni struttura del suolo-SOC e sulle tecniche tridimensionali utilizzate per la quantificazione della struttura. Il secondo capitolo analizza gli effetti del SOC e delle frazioni umiche sulla stabilità di struttura degli aggregati, individuando inoltre un nuovo meccanismo, legato alla diversa distribuzione della porosità, finora non considerato. Il terzo capitolo confronta e combina la porosimetria a intrusione di mercurio e la microtomografia a raggi X per la caratterizzazione della struttura. Il quarto capitolo analizza tridimensionalmente la struttura di campioni indisturbati e gli effetti del SOC sulla struttura stessa. Infine, l’ultimo capitolo riporta le conclusioni generali del lavoro.