Relazione tra gli apporti di sostanza organica vegetale e i processi biogeochimici sotteranei del ciclo del carbonio nei suoli di risaia

Rice paddy soils play an important role in global carbon (C) cycling as they have the capacity to store important amounts of organic C (around 47 Mg C ha-1) but are also important sources of methane (24.6-39.3 Tg y-1), a potent greenhouse gas (GHG), apart from carbon dioxide. These soil C sink and source functions, that have important implications of climate change, are strongly related to the management of organic matter inputs and irrigation regimes in rice agro-ecosystems. Rice paddies are flooded for most of the growing season leading to the establishment of anaerobic conditions that promote soil organic matter (OM) stabilization on one hand, but also methanogenesis on the other. Organic C turnover and stabilization in these soils are strongly linked to the dynamic interactions with redox-active minerals, in particular iron (Fe) oxyhydroxides, that may, on one hand, provide mineral surfaces for OM protection against microbial decomposition but, on the other, act as electron acceptors for microbial C mineralization under anoxic conditions. Our comprehension of how above- and below-ground plant-derived organic matter inputs drive microbial processes responsible for paddy soil C source/sink functions and how these processes are influenced by interactions with the biogeochemical cycling of Fe, remain however rather incomplete. This work, carried out over three different experimental setups all involving stable isotope tracing, investigated the role of plant-derived C inputs in regulating microbially-driven C turnover especially through interaction with Fe cycling. The first experiment explored the role of rice root traits, including the presence of iron plaque (IP), in driving root C turnover, soil organic C priming and their contribution to different functional OM pools. The amount of IP on fine roots, that depended on water management during rice cropping, was shown to constrain the post-harvest decomposition of fine root C inputs under aerobic conditions and favour their contribution to stable mineral-associated SOC without considerably affecting native SOC priming. In the second experiment, we traced rhizodeposited C in planted mesocosms with flooded soils differing in pedogenetic Fe content by using ¹³C-CO₂ pulse labelling. Results showed that soil properties, particularly pedogenetic Fe content and their C:Fe ratio, had a stronger influence on belowground C cycling under anoxic conditions than rhizodeposition itself. Finally, in the third experiment, we harnessed ²H-H₂O labelling and ²H tracing in microbial fatty acids to provide insights into the metabolic adaptability of paddy soil microorganisms to short-term shifts in soil redox conditions, in terms of regulation of growth, respiration and carbon use efficiency (CUE). Here we showed that, on shifting from oxic to anoxic conditions, paddy soil microbial communities exhibit metabolic plasticity that allows them to decouple their higher respiration rates from a slower microbial turnover involving different taxon-specific growth rates, by which they sustain a relatively low and constant CUE under anoxic conditions. Overall, this thesis provides essential insights into the interplay between plant-derived C inputs, soil redox conditions and the biogeochemical cycling of Fe in rice paddy soils. The main findings offer a better understanding of microbial processes that regulate the C source and sink functions of paddy soils, with important implications for improving soil C management in rice agro-ecosystems aimed at promoting organic C stabilization and limiting GHG emissions.

Le risaie svolgono un ruolo importante nel ciclo globale del carbonio (C), poiché possono immagazzinare quantità significative di C organico (OC; circa 47 Mg C ha-1), ma sono anche fonti importanti di metano (24.6-39.3 Tg y-1), un potente gas serra (GHG), oltre all’anidride carbonica. Queste funzioni di assorbimento e fonte di C del suolo, con importanti implicazioni sul cambiamento climatico, sono fortemente legate alla gestione degli apporti di materia organica (OM) e ai regimi di irrigazione negli agro-ecosistemi risicoli. Le risaie sono allagate per la maggior parte della stagione di crescita, creando condizioni anaerobiche che favoriscono sia la stabilizzazione della OM sia la metanogenesi. Il ricambio e la stabilizzazione del OC in questi suoli sono molto legati alle interazioni dinamiche con i minerali redox-attivi, in particolare gli ossidrossidi di ferro (Fe), che da un lato, offrono superfici minerali per la protezione dell’OM dalla decomposizione microbica, ma dall’altro agiscono come accettori di eletroni per la mineralizzazione microbica del C in condizione anossiche. Tuttavia, rimane ancora incompleta la nostra comprensione di come gli apporti di OM vegetali, sopra e sotto il suolo, guidono i processi microbici responsabili delle funzioni di fonte/pozzo di C del suolo delle risaie e di come questi processi siano influenzati dalle interazioni con il ciclo biogeochimico del Fe. Questo lavoro, condotto su tre diversi setup sperimentali con il tracciamento con isotopi stabili, ha studiato il ruolo degli apporti di C vegetali nella regolazione del ricambio di C indotto dai microorganismi, in particolare attraverso l’interazione con il ciclo del Fe. Il primo esperimento ha esplorato il ruolo delle caratteristiche delle radici di riso, compresa la presenza di placca ferrosa (IP), nel determinare il ricambio di C delle radici, il priming del C organic del suolo e il loro contributo a diversi pool funzionali di OM. È emerso che la quantità di IP sulle radici fini, influenzata dalla gestione dell’acqua durante la coltivazione del riso, limitava la decomposizione post-raccolta di questi apporti di C in condizioni aerobiche e favoriva il loro contributo al SOC stabile associatio ai minerali, senza influenzare significativamente il priming del SOC nativo. Nel secondo sperimento, il C rizodeposto è stato tracciato in mesocosmi piantati con suoli sommersi, con contenuto di Fe pedogenetico diverso, mediante marcatura con 13C-CO2. I risultati hanno dimostrato che le proprieta del suolo, in particolare il contenuto di Fe e il rapporto C:Fe, hanno avuto un impatto maggiore sul destino del C nel sottosuolo in condizioni anossiche rispetto alla rizodeposizione stessa. Infine, nel terzo sperimento, la marcatura con 2H-H2O e il tracciamento con 2H negli acidi grassi microbici hanno permesso di valutare l’adattabilità metabolica delle comunità microbiche a cambiamenti a breve termine delle condizioni redox del suolo, analizzando la crescita, la respirazione e l’efficienza d’uso del carbonio (CUE). Qui abbiamo dimostrato che, nel passaggio da condizioni ossiche ad anossiche, le comunità microbiche nei suoli di risaie mostrano una plasticità metabolica. Sono in grado di disaccopiare i loro tassi di respirazione più elevati da un turnover microbico più lento che coinvolge tassi di crescita specific per taxon diversi, grazie al quale mantengono una CUE relativamente bassa e costante in condizioni anossiche. Nel complesso, questa tesi fornisce informazioni essenziali sulle interazioni tra apporti di C vegetali, condizioni redox del suolo e ciclo biogeochimico del Fe nei suoli risicoli. I prinicipali risultati offrono una migliore comprensione dei process microbici che regolano le funzioni di fonte e pozzo di C nelle risaie, con importanti implicazioni per ottimizzare la gestione del C negli agroecosistemi risicoli, al fine di promuovere la stabilizzazione dell’OC e limitare le emissioni di GHG.