Towards an efficient management of livestock slurries in intensive agro-ecosystems: insights on N loss pathways, trade-offs, and mitigation strategies

Slurries represent a valuable source of fertility for Agriculture. However, with growing population, animal husbandry has become increasingly impacting on the agroecosystem, with correct slurries management as a key point to address, from storage to land application, to avoid undesirable nutrients losses and side effects on the environment. Nitrogen (N) is at the same time the most important crop yield-limiting factor (together with water) and the most overused plant macronutrient, especially in the form of chemical fertilizers. Those can be partially, or totally, as for Organic Farming, replaced with manures and slurries. However, the adoption of sustainable management strategies for slurries that can improve their fertilizing value, should necessarily come with a reduction in the leakage on N through reactive forms (Nr), like ammonia (NH3) volatilizations, nitrate (NO3-) leaching and nitrous oxide (N2O) emissions that represent not only a loss of nutrient value, but also a threaten to human and environmental health. Specific objectives of this thesis are: (i) to identify distribution strategies of livestock slurry that minimize Nr losses, while enhancing nitrogen use efficiency (NUE), across various intensive agro-ecosystems, including the permanent grasslands and the maize cultivations in the Italian Po valley; (ii) to test Nr losses mitigation strategies based on sustainable agriculture practices, including cover crops, and innovative slurry treatment and distribution strategies (i.e., fertigation); (iii) to assess the impact of these strategies on three main Nr loss pathways, namely NH3, NO3- and N2O.

I liquami zootecnici rappresentano una preziosa fonte di fertilità per l'agricoltura. Tuttavia, con l’aumento della popolazione mondiale, il settore zootecnico ha un impatto sempre maggiore sull'agroecosistema, e una corretta gestione dei reflui rappresenta un punto chiave da affrontare, dallo stoccaggio all'applicazione al suolo, per evitare perdite di nutrienti indesiderati e effetti collaterali sull'ambiente. L'azoto (N) è allo stesso tempo il più importante fattore di limitazione della resa delle colture (insieme all'acqua) e il macronutriente vegetale più abusato, specialmente sotto forma di fertilizzanti chimici. Questi possono essere parzialmente, o totalmente, come per l'agricoltura biologica, sostituiti con letami e liquami. Tuttavia, una gestione sostenibile dei reflui zootecnici dovrebbe necessariamente comportare una riduzione delle perdite azotate attraverso forme reattive (Nr), come le volatilizzazioni di ammoniaca (NH3), lisciviazioni di nitrato (NO3-) ed emissioni di ossido nitroso (N2O) che rappresentano non solo una perdita di valore nutritivo, ma anche una minaccia per la salute umana e ambientale. Gli obiettivi specifici di questa tesi sono: (i) identificare strategie di distribuzione del liquame bovino che minimizzino le perdite di Nr, migliorando nel contempo l'efficienza dell'uso dell'azoto (NUE), attraverso vari ecosistemi, compresi i prati permanenti e le coltivazioni di mais nella pianura padana; (ii) testare strategie di mitigazione delle perdite basate su pratiche agricole sostenibili, comprese le colture di copertura, e strategie innovative di trattamento e distribuzione dei liquami (fertirrigazione); (iii) valutare l'impatto di queste strategie su tre principali vie di perdita di Nr, vale a dire NH3, NO3 e N2O.