TECHNIQUES TO IMPROVE SOIL FERTILITY

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1 TECHNIQUES TO IMPROVE SOIL FERTILITY Cristos Xiloyannis Dipartimento di Scienze dei Sistemi Colturali, Forestali e dell Ambiente University of Basilicata, Potenza Italy cristos.xiloyannis@unibas.it INTERNATIONAL SEMINAR ON OLIVE GROWING INTERNATIONAL SEMINAR ON OLIVE GROWING AND THE ENVIRONMENT Madrid, 18 November

2 Composizione della Sostanza Organica del suolo Sostanza organica stabilizzata (33-50%) Organismi viventi (<5%) Residui freschi organici (<10%) Frazione attiva (Sostanza organica decomponibile) (33-50%) 2

3 Tempo di dimezzamento delle principali frazioni di S.O. (da: Jenkinson et al., 1977) Frazione Descrizione Dimezzamento (anni) Biomassa del terreno S.O. finemente stabilizzata t Vivente 1,69 Fisicamente protetta tt ma decomponibile 49,5 SO S.O. Sostanza organica 1980 chimicamente stabilizzata libera, resistente all'attacco attacco biologico 3

4 % Sostanza Organica 4,5 Inizio della coltivazione 3,8 Gestione convenzionale Gestione sostenibile Frazione della SO labile Inversione della tendenza 1.9 Frazione della SO duratura Anni dall inizio della coltivazione Rielaborato da WBGU Special Report: The Accounting of Biological Sinks and Sources Under the Kyoto Protocol 4

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6 .agricoltura e ambiente nell ultimo ½ secolo - Bruciatura residui colturali Riduzione livello SO vicino soglia desertificazione (1%) 6

7 Soil fertility Organic matter in South Italy 0,8-1,3% 7

8 Soils with organic matter less than 1% are desertics from microbiological point of view. 8

9 FISICA Stabilità struttura Ritenzione i idricai Proprietà termiche Funzione della SO CHIMICA Capacità di scambio cationico miglioramento ph del suolo Elementi minerali trattenuti BIOLOGICA Sorgente di energia Riserva di nutritivi Sistema di riciclo suolo/pianta 9

10 .il ruolo dei sistemi agricoli Apporto di carbonio organico esterno + + Riciclo in campo dei residui colturali Minimizzare le lavorazioni Incremento della SO nel suolo 10

11 The main objectives of fertilization: Improve yield quality and soil fertility, controll of environmental pollution. Better exploitation of the resources present inside the orchard. Correct choice of fertilizers and efficient methods of their distribution (fertigation, leaf spray etc) 11

12 Synchronize plant s nutrient demand and availability of the nutrients t in the soil Plant s nutrient demand during the season Nutrients availability in the soil Efficient methods of distribution (fertigation canopy spray) 12

13 Mineral nutrition in young olive orchards 13

14 Nutritional balance in young olive trees OUT IN Immobilization (in the different parts of the tree) Mineral elements in the water used for irrigation YIELD Pruning material + leaves - 100% for PK P, K, Mg e Ca and about 50% for N Soil fertility 14

15 N (g plant - 1 ) needs for canopy and roots growth, and yield (555 trees/ha Above-ground structures Stump+roots 1 st year 2 nd year 3 rd year 4 th year 5 th year 6 th year 3, ,3 35,6 46, ,7 147,5 0,8 2,2 4,9 7,9 21,9 52,3 Pruning material - 0,3 1,2 5,4 40,6 33,5 Yield - 2,7 11,6 31,1 38,4 101,0 TOTAL 4,5 16,5 53,3 90,8 213,6 334,3 15

16 N, P, and K requirements (%) for canopy growth and yield (4 th year from planting) Element Beginning i of the annual growth- Fruit set Fruit set- Pit hardening- Pit hardening Harvest time N 41,5 29,5 29,0 P 24,6 38,9 36,5 K 33,5 31,4 35,1 16

17 Nitrogen balance N (g tree -1 ) Immobilization in the whole tree OUT IN 199,8 0 Yield 101,0 0 Pruning g material 33,5 16,8 Leaves 13,7 6,8 Irrigation water (150 mm) 11,4 TOTAL 348,0 34,9 DIFFERENCE 313,0 Amount by fertirrigation (coeff. of effic 0,9) 348 *Irrigated olive orchard ( 6x3 m) VI year from planting yield 14 kg/tree pruning material in the orchard 17

18 Concentrazione di N minerale (Mn-N) a diverse profondità àin un suolo sottoposto a sovescio cm cm interramento Data 18

19 N (0-40 cm depth of soil): Peach orchard ) ppm NO 3- (0-40 cm depth compost % N 25% N Kg /ha 75% N N 100% N sustainable conventional Sustainable (yield 51 tha -1 Fertirrigation tot. 42 kgha -1 conventional fertirrigation tot. 84 kgha -1 others 70 kgha -1 Nitrachek 10 1-feb 28-mar 7-may 8-jun 21-jul 9-aug 4-sep 19

20 Mineral elements content in mature irrigated olive orchard ( yield 9,4 t ha -1 ) (8x8 m average of 5 years data) D.M. N P K Ca Yield 4,7 71,9 6,1 55,9 4,2 Prunining material 2,7 25,6 1,4 25,0 51,6 Leaves 0,9 11,7 0,6 7,9 23,8 Total 8,3 109,2 8,1 88,8 79,6 90,55 6,1 55,9 4,2 Mineral elements OUT of the Orchard (pruning material in the orchard) 20

21 Bilancio dell N nell oliveto sostenibile (media ) Fabbisogno olivo Apporti g pianta -1 Reflui (22 m 3 pianta ,6 anno -1 ) Strutture permanenti - - Produzione 477,4 - Materiale di potatura 203,2 101,6* Foglie senescenti 88,8 44,4* Totale 769,4 548,6 Differenza 220,8 (x 1.1=coeff. efficienza d uso) N-apportato in 242,9 fertirrigazione *per N riciclo del 50% 21

22 Piano di fertirrigazione azotata (g pianta -1 settimana -1 ) Periodo Ripresa vegetativaallegagione (1 a settimana alla 14 a settimana) 1 a fase di crescita della 9,0 drupa (15 a settimana alla 22 a settimana) 2 a fase di crescita della 70 7,0 drupa-invaiatura (23 a settimana alla 32 a settimana) N (1 a settimana alla 14 a 7,2 Totale 242,9 22

23 Comparison between young and mature olive orchard (VI year 555 tree/ ha and 156 tree/ ha) concerning the need in mineral elements Above ground Stump+ roots Pruning mat. Young orchard (g/tree) (mg/tre e) Mature orchard (g/ tree) (mg/ tree) N P 2 O 5 K 2 O Fe N P 2 O 5 K 2 O Fe Yield TOTAL

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26 Biomassa erbacea prodotta nel sistema sostenibile media t ha -1 (peso secco) Parte epigea 4,7 2,8 8,5 3,7 6,0 8, Parte ipogea 0,9 0,6 1,7 0,7 1,2 1,7 1,4 1,11 1,6 1,2 2 sfalci all anno (maggio ottobre) mulching 26

27 Humus fixed in the soil of 2 systems Sustainable Conventional (Average ) (t ha -1 year 1 ) Sostenibile Aziendale Isohumic DM D.M. Humus DM D.M. Humus coefficient (t ha - 1 year - 1 ) (t ha -1 year - 1 ) Yield 49 4,9 21 2,1 Cover Crops (above) Cover Crops (Below part) 0,15 6,1 0, ,15 1,2 0,2 Materiale di 0,35 3,3 1,2 2,6 0,9 potatura Senescent leaves O,2 0,9 0,2 0,9 0,2 Roots 035 0, ,1 21 2,1 37 3,7 13 1,3 TOTALE 22,8 4,6 9,3 2,4 27

28 Estimation of cumulated humus per year in a sustainable management in olive orchard Pruning material, DM input t ha Isohumic coeff Humus t ha -1 year Leaves Tot t ha -1 Cover crop Roots of trees Mean annual humus 4.53 t ha -1 Mean annual loss (mineralization) 1.26 t ha -1 Net annual humus stored 2.27 t ha -1 *assuming 1.4 t m -3 soil density 1.0% organic matter 30 cm depth, 3% annual mineralization rate 28

29 Soils with 1% of SOC in the top 30 cm need about 17 years of sustainable management to increase the SOC at 2% (15 t ha -1 year -1 of CO 2 ). Using compost (15 t ha -1 year -1 ) this value will be reached after 7 years. 29

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33 RESPIRAZIONE TOTALE DEL SUOLO LUNGO IL FILARE E L INTERFILARE (MEDIA DI 7 GIORNI PRIMA E DOPO IL TRATTAMENTO IRRIGUO) VIGNETO 1,2 1,0 Andamenti Settimanali Respirazione Totale del Suolo DOPO L'IRRIGAZIONE FILARE FILARE irr INTERFILA g di CO O2 m -2 h -1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 PRIMA DELL'IRRIGAZIONE Ore del giorno PRIMA DOPO Diff. Eto (mm) 6,9 ± 0,9 6,4 ± 0,4-0,5 T atm ( C) 26,8 ± 2,0 25,1 ± 0,6-1,7 UR atm (%) 40,8 ± 73 7,3 49,6 ± 68 6,8 + 8,88 T suolo ( C) 28,4 ± 1,6 24,6 ± 2,3-3,7 U suolo cm 0-20 (%) 8,8 ± 1,0 23,7 ± 1,7 + 14,8 Trattamento Irriguo Durata 24 ore 2000 Gocciolatori, 7 L/h Apporto idrico 330 m 3 /ha 33

34 The increase of carbon in the soil of olive trees: (sustainable management without compost) (%) Carbonio o Organico cm 5-10 cm cm cm 34

35 CARATTERISTICHE IDROLOGICHE DEL SUOLO E BILANCIO IDRICO 35

36 La compattazione del suolo determina anche una variabilità della densità del suolo lungo il suo profilo Densità del suolo (g cm- 3 ) Suolo nudo Non lavorato Lavorato (ripper) Inerbito (pascolo) 36

37 0-10 Cover crops Inerbito a 0-10 cm ondità (cm) prof a a a Regolari Irregolari Allungati a cm Tilled Lavorato Macroporosità (%) 0-10 a profondità (c cm) Depth cm b b b Regolari Irregolari Allungati 0-10 cm ab Macroporosity % Macroporosità (%) cm 37

38 Tesi K sat (Guelph) (mm d -1 ) Classe di Conducibilità satura (Rossi Pisa 1997) Inerbito (tubo) 160 media Lavorato (tubo) 13 molto bassa 38

39 Valutazione del contenuto idrico del suolo (strato cm) con i gessetti Bouyoucos Confronto Sistema SOSTENIBILE vs AZIENDALE aree non irrigate in pendenza (12%) Posizione dei gessetti Bouyoucos ALTA MEDIA BASSA 39

40 Soil water content (m 3 ha -1 ) (0-200 cm depth) measured on February and April 2007 Rainfall February-April 167 mm 5000 TOP POSITION -1 ) water cont tent (m 3 ha Δ 1,890 m 3 Δ 930 m 3 cove er crops tilled cover cr rops cove er crops tille ed 12 Feb '07 10 Apr '07 40

41 Soil water content (m 3 ha -1 ) (0-200 cm depth) measured on February and April 2007 MIDDLE POSITION 5000 Δ 1,220 m 3 water conte ent (m 3 ha -1 ) Δ 810 m cover crops 3 tilled co over cro ops cover crops tilled 12 Feb '07 10 Apr '07 41

42 Soil water content (m 3 ha -1 ) (0-200 cm depth) measured on February and April 2007 BOTTOM POSITION 5000 water content (m 3 ha -1 ) Δ 970 m 3 Δ 620 m 3 cover cro ops t illed cove er crops co over cro ops tilled 12 Feb '07 10 Apr '07 42

43 70 Root resistance to traction 60 oat aegilops medicago 26 2, ,5 1,4 Root diameter (mm) TR (MPa) 43

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48 Interrimento Camastra 15 Mm 3 (apporto annuo 0,400 Mm 3 ) Interrimento San Giuliano Mm 3 (apporto annuo 0,450 Mm 3 ) (Molino, 2004) 48

49 ph 8 7 A C B CONTROLLO INTERFILA SOTTO IL GOCCIOLATORE 49

50 No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo. 15/1/2010 The higher inputs of organic matter in innovative plots determined an increase of the microbial groups responsible for nitrogen metabolism in well-watered zones, and higher activities of decomposer and humus-forming microorganisms in IIR. No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo. 12,00 1 soil 10,00 8,00 CFU 10 6,00 g Log 4,00 2,00 0,00 12,00 IUE IIR CUE CIR Bacteria Actinomycetes Fungi Total and specific microbial counts (CFU ± SE). Values with different letters (between columns with the same colour) are significantly different (ANOVA; P 0.05). 10,00 8, soil 6,00 CFU g 104,00 Log 2,00 0,00 IUE IIR CUE CIR Bacillus Proteolytic Ammonifying Pseudomonas Azotobacter IUE = Innovative Under Emitters IIR = Innovatuve Inter-Rows CUE = Conventional Under Emitters CIR = Conventional Inter-Rows 50

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53 Produzione (media ) Sostenibile Aziendale* Sostenibile Aziendale Kg pianta -1 tha -1 media piante per ettaro 156 piante per ettaro * 2002, 2004, 2006 annate di scarica 53

54 Compost certificato di qualità 54

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57 cost for unit of fertilizzer in the compost unità fertilizzanti distribuite con il compost compost N P K total ,8 130,8 392, N P 2 O 5 K 2 0 total average cost 67,95 10,07 38,98 117,00 0,30 Mineral fertilizers 310,22 158,81 76,11 545,14 1,39 The cost of the Compost is 7.8 /t 57

58 root with ifes and spores of glomus intraradices (10 X). 58

59 Università degli Studi della Basilicata OLIVE WORKING GROUP Cristos Xiloyannis Bartolomeo Dichio Vitale Nuzzo Giuseppe Celano Giuseppe Montanaro Adriano Sofo Assunta Maria Palese Giuseppe Tataranni Filomena Motta 59