Testing interactions between above- and belowground ecosystem services

Agriculture is the predominant form of land management worldwide. During the last fifty years production intensification dramatically impacted the environment and biodiversity harming the ability of ecosystems to provide services essential for human sustenance and well-being. Agricultural ecosystems receive a wide variety of supporting and regulating services crucial for crop production (e.g. soil fertility or pollination). The enhancement of ecosystem services (ecological intensification) has been proposed as a promising solution to meet the growing demand for agricultural goods, decreasing production dependence to external inputs and therefore limiting detrimental effects on environment. However, the implementation of ecological intensification into crop production systems is knowledge-intensive and it requires a comprehensive understanding of the relationships among multiple ecosystems services. The aim of this thesis was to test for potential interactions between above- and belowground ecosystem services for major European crops and to identify innovative management options for ecological intensification in agricultural ecosystems. We explored the relationships between soil-based supporting services and pollination, biological control and an aboveground crop pest (disservice). In Chapter 2, the interactions between pollination and nitrogen input for three different cultivars of oilseed rape (Brassica napus) were explored in a field experiment. Open pollinated cultivar largely depended on pollination, whereas hybrid cultivars did not. However, pollination benefits to yield increased with decreased nitrogen inputs, indicating that nitrogen use efficiency was probably enhanced by pollination. These findings show that the use of hybrid cultivars and the application of fertilizers can compensate degraded pollination service, whereas optimal pollination can potentially replace fertilization. In Chapter 3 we tested potential interactions between soil fertility and pollination in sunflower (Helianthus annuus). To obtain different levels of soil fertility we used soils from a long-term trial with different input management histories. Pollination benefits to yield formation were observable only under good soil fertility conditions whereas they were canceled in more deteriorated soils: limited nutrient availability led to limited yield even at optimal pollination level. In Chapter 4 we performed a greenhouse experiment to test the effects of soil fertility and nitrogen input on herbivore performance (Sitobion avenae) and crop growth (Triticum aestivum) . Increased fertilizer applications strongly enhanced aphid performance. Increased soil organic matter contents had similar but minor effects on pest growth, maintaining similar crop growth. Soil management is known to affect the provision of multiple ecosystem services. In Chapter 5 and 6 the effects of different tillage practices indicated that soil managements that reduce soil disturbance in cereal crops enhance soil fertility, arthropod abundance, biological control and maintain levels of crop production similar to those observable under conventional tillage. This study provides evidence for interactions between above- and belowground ecosystem services, highlighting the role of supporting services in shaping the effects of other services-disservices on crop production. Our results will provide recommendations to correctly valuate ecosystem services and to implement their management in agricultural landscapes. In particular it appears clear that several ecosystem services do interact and that their contribution to yield cannot be considered additive as often assumed in current economic evaluation and mapping exercises.

L’agricoltura è la forma predominante di gestione del suolo a livello globale. Negli ultimi cinquanta anni l’intensificazione della produzione agricola ha causato un generale deperimento della qualità dell’ambiente e un’allarmante perdità di biodiversità, compromettendo la capacità degli ecosistemi di fornire servizi essenziali al sostentamento ed al benessere umano. Gli ecosistemi agricoli sono condizionati da molteplici servizi di supporto e di regolazione fondamentali al processo di produzione (ad es. servizio di fertilità del suolo o di impollinazione). L’intensificazione ecofunzionale è una nuova strategia di gestione che si propone di raggiungere adeguati livelli di produttivà e di limitare gli impatti ambientali potenziando i servizi ecosistemici coinvolti nel processo di produzione. Ciò nonostante, l’attuazione di questa strategia necessita di una approfondita conoscenza dei meccanismi di interazione fra i diversi servizi ecosistemici. Il presente lavoro di tesi si propone di esplorare possibili interazioni fra servizi ecosistemici ipogei ed epigei in alcune colture agrarie di importanza economica e di identificare innovative tecniche di gestione nell’ottica di un’intensificazione ecofunzionale. In particolare abbiamo testato le potenziali interazioni fra qualità del suolo, impollinazione e controllo biologico. Nel Capitolo 2 si presentano i risultati di un esperimento di campo sulle relazioni fra impollinazione e fertilizzazione minerale in tre varietà di colza. Le tre varietà hanno prensentato diversa dipendenza dalla presenza di impollinazione entomofila. La varietà più produttiva ha incrementato la resa del 20% in presenza di insetti rispetto alle piante esposte solo all’azione del vento. L’effetto positivo dell’impollinazione era però presente solo nelle piante non sottoposte a fertilizzazione evidenziando un aumento nell’efficienza dell’uso dell’azoto dovuto all’azione di insetti impollinatori. Questi risultati suggeriscono che l’uso di fertilizzanti può compensare la riduzione di produzione dovuta alla mancanza di impollinatori. Nel Capitolo 3 sono state studiate le relazioni fra servizio di impollinazione e servizio di fertilità del suolo nel girasole. Per ottenere livelli contrastanti di fertilità, sono stati utilizzati dei suoli provenienti da un esperimento di lungo termine sottoposti negli ultimi quaranta anni a diverse intensità di gestione. L’effetto positivo dell’impollinazione era evidente solo nelle piante cresciute nei suoli più fertili. La limitata disponibilità di nutrienti ha infatti limitato la produzione indipendentemente dalla presenza di impollinatori. Questo risultato contrasta con quanto trovato per il colza indicando un’elevata complessità delle interazione fra impollinazione e qualità del suolo a seconda della coltura agraria considerata. Nel Capitolo 4 si presentano gli effetti della fertilità del suolo e della fertilizzazione minerale sulla crescita degli afidi e sulla produzione di frumento. Alti livelli di fertilizzazione hanno fortemente accresciuto la performance degli afidi. L’effetto di un’alto contenuto di sostanza organica nel suolo è risultato simile ma di minore intensità, sostenendo una produzione paragonabile a quella raggiunta grazie alle fertilizzazioni. Le lavorazioni del suolo influiscono grandemente sulla erogazione di servizi ecosistemici. Nel Capitolo 5 e 6 sono stati studiati gli effetti di diverse tecniche di lavorazione del suolo su diversi servizi ecosistemici: I campi gestiti con la tecnica di minima lavorazione del suolo hanno mostrato maggiori livelli di fertilità, una maggiore abbondanza di artropodi terricoli, un controllo biologico più efficiente e rese paragonabili a quelle ottenute con un’aratura convenzionale. Il presente studio dimostra che servizi ecosistemici ipogei ed epigei interagiscono e che l’effetto dei servizi di regolazione come impollinazione e controllo biologico dipendono largamente dalla qualità dei servizi di supporto. I risultati di questa tesi forniscono delle linee guida per una corretta valutazione e gestione dei diversi servizi ecosistemici in agricoltura. Gli attuali modelli di valutazione economica dei servizi ecosistemici devono tenere in considerazione gli effetti non additivi dei singoli servizi. L’identità della coltura sembra avere un ruolo chiave nel modificare le interazioni osservate in questo studio.