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Soil multifunctionality in tropical agroecosystems through agroforestry and biochar-based management

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Resumo

A degradação do solo compromete a sustentabilidade dos agroecossistemas tropicais ao reduzir a capacidade dos solos de sustentar a produtividade e fornecer serviços ecossistêmicos essenciais. Esta tese avaliou a multifuncionalidade do solo e a provisão de serviços ecossistêmicos do solo em dois contextos contrastantes: a transição de pastagens para sistemas agroflorestais na Amazônia colombiana e o uso de biochar biologicamente ativado em sistemas cafeeiros andinos. No primeiro estudo, foram avaliados sistemas pareados de floresta primária, pastagem e sistemas agroflorestais com cacau. Indicadores físicos, químicos e biológicos do solo, medidos até 1,0 m de profundidade, foram integrados em índices de serviços ecossistêmicos. A floresta primária apresentou a maior funcionalidade geral, enquanto as pastagens mostraram simplificação funcional e menor provisão integrada de serviços. Os sistemas agroflorestais com cacau restauraram parcialmente a multifuncionalidade do solo, especialmente em funções relacionadas à regulação climática, controle da acidez e fertilidade, indicando seu potencial como estratégia de recuperação funcional em paisagens amazônicas degradadas. No segundo estudo, conduzido em solos ácidos da região cafeeira andina, avaliouse o efeito de doses de biochar de madeira de café biologicamente ativado, combinadas à redução da adubação mineral e a diferentes formas de aplicação. As respostas mais consistentes ocorreram nos atributos químicos do solo, com aumento do pH, das bases trocáveis, do carbono orgânico e do fósforo disponível, além da redução da saturação por alumínio. Essas mudanças foram refletidas parcialmente na nutrição foliar e na produtividade do café. O biochar ativado combinado com redução de 25% da adubação mineral manteve ou aumentou a produtividade em alguns tratamentos, enquanto a aplicação superficial foi, em geral, mais favorável do que a incorporação. Em conjunto, os resultados mostram que a restauração da multifuncionalidade do solo em agroecossistemas tropicais pode ocorrer por estratégias complementares em diferentes escalas. Em escala de paisagem, sistemas agroflorestais contribuem para recuperar funções perdidas após a conversão de florestas em pastagens. Em escala de parcela, o biochar biologicamente ativado atua como condicionador regenerativo, melhorando a fertilidade do solo e favorecendo o uso mais eficiente de fertilizantes. Assim, a tese demonstra que indicadores integrados de solo podem orientar estratégias de manejo regenerativo voltadas à recuperação de serviços ecossistêmicos em paisagens agrícolas colombianas.

Abstract

tSoil degradation compromises the sustainability of tropical agroecosystems by reducing the capacity of soils to sustain productivity and provide essential ecosystem services. This thesis evaluated soil multifunctionality and the provision of soil ecosystem services in two contrasting contexts: the transition from pastures to agroforestry systems in the Colombian Amazon and the use of biologically activated biochar in Andean coffee systems. In the first study, paired systems of primary forest, pasture, and cacao-based agroforestry were evaluated. Soil physical, chemical, and biological indicators, measured down to 1.0 m depth, were integrated into ecosystem service indices. Primary forest showed the highest overall functionality, whereas pastures exhibited functional simplification and lower integrated service provision. Cacaobased agroforestry systems partially restored soil multifunctionality, especially functions related to climate regulation, acidity control, and fertility, indicating their potential as a functional recovery strategy in degraded Amazonian landscapes. In the second study, conducted in acidic soils of the Andean coffee region, the effects of application rates of biologically activated coffee wood biochar were evaluated in combination with mineral fertilizer reduction and different application methods. The most consistent responses occurred in soil chemical attributes, with increases in pH, exchangeable bases, organic carbon, and available phosphorus, along with reduced aluminum saturation. These changes were partially reflected in foliar nutrition and coffee productivity. Activated biochar combined with a 25% reduction in mineral fertilization maintained or increased productivity in some treatments, whereas surface application was generally more favorable than incorporation. Overall, the results show that the restoration of soil multifunctionality in tropical agroecosystems can occur through complementary strategies at different scales. At the landscape scale, agroforestry systems contribute to recovering functions lost after forest-to-pasture conversion. At the plot scale, biologically activated biochar acts as a regenerative soil conditioner, improving soil fertility and favoring more efficient fertilizer use. Thus, this thesis demonstrates that integrated soil indicators can guide regenerative management strategies aimed at recovering ecosystem services in Colombian agricultural landscapes.

Keywords

Soil functional indicators, Forest-to-pasture transition, Andean coffee systems, Biologically activated biochar, Soil fertility

Descrição

Área de concentração

Fertilidade do Solo e Nutrição de Plantas

Linha de pesquisa

Carbono no sistema solo-planta

Agência de desenvolvimento

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Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

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DOI

Citação

OLAYA-MONTES, Andrés. Soil multifunctionality in tropical agroecosystems through agroforestry and biochar-based management. 2026. 116 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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