Valorização de resíduo de bagaço de azeitona como condicionador orgânico do solo e implicações para a sua qualidade física

Abstract

[Resumo] A perda de matéria orgânica do solo (SOM) constitui uma das principais ameaças aos solos mediterrânicos, particularmente no NE de Portugal, onde cerca de 70% dos solos são classificados como Leptossolos – solos rasos, pedregosos e com baixo teor de SOM. Nesta região, os olivais dominam a paisagem agrícola e a indústria do azeite gera grandes volumes de bagaço de azeitona de duas fases (OP), um subproduto com elevada carga orgânica e fitotoxicidade devido ao seu elevado teor fenólico. A compostagem do OP com outros resíduos agroindustriais representa uma solução baseada na natureza para mitigar os desafios associados ao seu gerenciamento, reciclar nutrientes e apoiar uma bioeconomia circular. Esta tese avalia o potencial dos compostos à base de bagaço de azeitona (OPC) para melhorar a qualidade do solo e a provisão de serviços ecossistêmicos. Num primeiro momento, um ensaio em escala laboratorial avaliou os efeitos de curto prazo da aplicação de OPCs na estabilidade dos agregados (AS) em dois solos contrastantes (Leptossolo e Fluvisolo), demonstrando que o OPC melhora significativamente a AS, especialmente em solos com condições estruturais inicialmente pouco agregadas (+20% AS em comparação com o controle). Subsequentemente, foi conduzido um ensaio de eficácia em vasos para avaliar os efeitos de médio prazo do OPC nas propriedades do solo e no desempenho das plantas. Três OPCs, com diferentes percentagens iniciais de OP (OPC44, OPC31 e OPC25), e um corretivo orgânico comercial (HMC) foram incorporados na camada superficial (0–5 cm) de um Leptossolo êutrico (2,1% SOM) em três doses de aplicação (10, 20 e 40 t·ha⁻¹), mais o controle. O azevém anual (Lolium multiflorum) foi cultivado sob dois regimes de humidade controlada (50-70% e >70% da capacidade de campo). Após 138 dias, analisaram-se diversas propriedades do solo, incluindo a SOM e o seu fracionamento físico, C e N totais, K extraível, POlsen, pH, CTC efetiva, densidade aparente, porosidade, capacidade de campo e agregados estáveis em água (WSA). A análise multivariada indicou que a dose de composto teve maior influência nas propriedades do solo do que o tipo de composto. A SOM, Ctotal, K extraível, pH e CTC efetiva aumentaram proporcionalmente com a dose aplicada. A dose mais elevada resultou em aumentos de 13,3 g·kg⁻¹ de SOM e 8,4 g·kg⁻¹ de Ctotal. Comparativamente ao HMC, os OPCs forneceram maior enriquecimento em K. As emendas orgânicas melhoraram a estrutura do solo, reduzindo a densidade aparente (8–15%), aumentando a porosidade e a capacidade de campo, e promovendo um aumento de ~20% nos WSA, especialmente com OPC31 e OPC44. Além disso, a aplicação de OPC reforçou tanto a proteção física como química da SOM. A maior parte do C derivado do composto foi inicialmente armazenada em pools desprotegida ou fracamente protegidas, observando-se uma progressiva transferência para pools mais estáveis. As emendas favoreceram a acumulação de C em diferentes classes de agregados, promovendo a formação de pools de C solo fisicamente e quimicamente protegidos. Os OPC31 e OPC44 superaram o HMC no aumento da matéria orgânica associada a minerais, contribuindo para a estabilização a longo prazo do C. Uma avaliação integrada das funções do solo e dos serviços ecossistêmicos revelou que a aplicação de OPC promove funções essenciais do solo, incluindo o aumento da produtividade vegetal, o ciclo e retenção de nutrientes, a melhoria da estrutura e estabilidade do solo, o sequestro de C e a regulação da água. De forma global, esta tese demonstra que a compostagem do bagaço de azeitona é uma solução baseada na natureza eficaz para valorizar resíduos agroalimentares e melhorar a saúde do solo em solos mediterrânicos degradados. A aplicação de OPC melhora a fertilidade, a estrutura e as funções hidráulicas do solo, contribuindo para uma agricultura sustentável, adaptada ao clima, e apoiando a bioeconomia circular.[Resumen]La pérdida de materia orgánica del suelo (SOM) constituye una de las principales amenazas para los suelos mediterráneos, especialmente en el noreste de Portugal, donde aproximadamente el 70 % de los suelos se clasifican como Leptosoles – suelos poco profundos, pedregosos y con bajo contenido de MOS. En esta región, los olivares dominan el paisaje agrícola y la industria del aceite de oliva genera grandes cantidades de alperujo de aceituna (OP) de dos fases, un subproducto con alta carga orgánica y propiedades fitotóxicas debido a su alto contenido fenólico. El compostaje del OP con otros residuos agroindustriales representa una solución basada en la naturaleza para mitigar los desafíos de su eliminación, reciclar los nutrientes que contienen y fomentar una bioeconomía circular. Esta tesis evalúa el potencial del compost a base de alperujo de aceituna (OPC) para mejorar la calidad del suelo y la provisión de servicios ecosistémicos. En primer lugar, un ensayo a escala de laboratorio evaluó los efectos a corto plazo de la aplicación de OPC sobre la estabilidad de agregados (AS) en dos suelos de propriedades contrastadas (Leptosol y Fluvisol), demostrando que el OPC mejora significativamente la AS, especialmente en suelos con condiciones estructurales inicialmente desfavorables (+20 % AS en comparación con el control). Posteriormente, se realizó un ensayo en macetas para evaluar los efectos a medio plazo de la aplicación de OPC en las propiedades del suelo y en el rendimiento de las plantas. Tres OPC con diferentes proporciones iniciales de alperujo (OPC44, OPC31 y OPC25) y una enmienda orgánica comercial (HMC) fueran incorporados en la capa superficial (0–5 cm) de un Leptosol éutrico (2,1 % SOM), con tres dosis de aplicación (10, 20 y 40 t·ha⁻¹), además de un tratamiento de control. El suelo fue sembrado con raigrás italiano (Lolium multiflorum) bajo dos regímenes de humedad controlada (50-70 % y >70 % de la capacidad de campo). Tras 138 días, se analizaron diversas propiedades del suelo, incluyendo SOM y su fraccionamiento físico, C y N totales, K extraíble, POlsen, pH, capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICe), densidad aparente, porosidad, capacidad de campo y agregados estables en agua (WSA). El análisis multivariante indicó que la dosis tuvo mayor influencia sobre las propiedades del suelo que el tipo de compost. La SOM, el Ctotal, el K extraíble, el pH y la CICe aumentaron proporcionalmente con la dosis aplicada. La dosis más alta dio lugar a aumentos de 13,3 g·kg⁻¹ de SOM y 8,4 g·kg⁻¹ de Ctotal. En comparación con el HMC, los OPC proporcionaron un mayor IV enriquecimiento en K. Las enmiendas orgánicas mejoraron la estructura del suelo, reduciendo la densidad aparente (8–15 %), aumentando la porosidad y la capacidad de campo, y promoviendo un aumento de ~20 % en los WSA, especialmente con OPC31 y OPC44. Además, la aplicación de OPC mejoró tanto la protección física como la química de la SOM. La mayor parte del C derivado del compost se almacenó inicialmente en fracciones no protegidas o débilmente protegidas, observándose una progresiva transferencia hacia fracciones más estables. Las enmiendas favorecieron la acumulación de C en diferentes tamaños de agregados, promoviendo la formación de fracciones de C física y químicamente protegidas. Los OPC31 y OPC44 superaron al HMC en el aumento de la OM asociada a minerales, contribuyendo a la estabilización a largo plazo del C. Una evaluación integrada de las funciones del suelo y los servicios ecosistémicos reveló que la aplicación de OPC promueve funciones esenciales del suelo, como el aumento de la productividad vegetal, el ciclo y la retención de nutrientes, la mejora de la estructura y estabilidad del suelo, el secuestro de C y la regulación hídrica. En conjunto, esta tesis demuestra que el compostaje del OP es una solución basada en la naturaleza eficaz para valorizar residuos agroalimentarios y mejorar la salud del suelo en suelos mediterráneos degradados. La aplicación de OPC mejora la fertilidad, la estructura y las funciones hidráulicas del suelo, contribuyendo a una agricultura sostenible, resiliente frente a cambios climáticos y que apoya una bioeconomía circular.[Resumo]A perda de materia orgánica do solo (SOM) constitúe unha das principais ameazas para os solos mediterráneos, especialmente no nordeste de Portugal, onde aproximadamente o 70 % dos solos están clasificados como Leptosoles – solos pouco profundos, pedregosos e cun baixo contido en MOS. Nesta rexión, os oliveirais dominan a paisaxe agraria e a industria do aceite de oliva xera grandes volumes de bagazo de aceitona de dúas fases (OP), un subproduto cunha elevada carga orgánica e propiedades fitotóxicas debido ao seu alto contido fenólico. O compostaxe do OP con outros residuos agroindustriais representa unha solución baseada na natureza para mitigar os desafíos da súa eliminación, reciclar nutrientes e apoiar unha bioeconomía circular. Esta tese avalía o potencial dos compostos a base de bagazo de aceitona (OPC) para mellorar a calidade do solo e a provisión de servizos ecosistémicos. Nunha primeira etapa, un ensaio a escala de laboratorio avaliou os efectos a curto prazo da aplicación de OPC sobre a estabilidade dos agregados (AS) en dous solos de propiedades contrastadas (Leptosol e Fluvisol), demostrando que o OPC mellora significativamente a AS, especialmente en solos con condicións estruturais inicialmente desfavorables (+20 % de AS respecto ao control). Posteriormente, realizouse un ensaio en macetas para avaliar os efectos a medio prazo da aplicación do OPC nas propiedades do solo e no rendemento das plantas. Tres OPC con diferentes proporcións iniciais de OP (OPC44, OPC31 e OPC25) e unha enmenda orgánica comercial (HMC) foron incorporados na capa superficial (0–5 cm) dun Leptosol éutrico (2,1 % SOM), con tres doses de aplicación (10, 20 e 40 t·ha⁻¹), ademais dun tratamento control. O solo foi sementado con raigrás italiano (Lolium multiflorum) baixo dous réximes de humidade controlada (50-70 % e >70 % da capacidade de campo). Tras 138 días, analizáronse diversas propiedades do solo, incluíndo a SOM e o seu fraccionamento físico, C e N totais, K extraíble, POlsen, pH, capacidade de intercambio catiónico efectiva (CICe), densidade aparente, porosidade, capacidade de campo e agregados estables en auga (WSA). A análise mutilaríante indicou que a dose tivo unha maior influencia nas propiedades do solo que o tipo de composto. A SOM, o Ctotal, o K extraíble, o pH e a CICe aumentaron proporcionalmente coa dose aplicada. A dose máis elevada resultou en incrementos de 13,3 g·kg⁻¹ de SOM e 8,4 g·kg⁻¹ de Ctotal. En comparación co HMC, os OPC proporcionaron un maior enriquecemento en K. As emendas orgánicas melloraron a estrutura do solo, reducindo a densidade VI aparente (8–15 %), aumentando a porosidade e a capacidade de campo, e promovendo un incremento de ~20 % nos WSA, especialmente con OPC31 e OPC44. Ademais, a aplicación de OPC reforzou tanto a protección física como a química da SOM. A maior parte do C derivado do compost almacenouse inicialmente en fraccións non protexidas ou debilmente protexidas, observándose unha transferencia progresiva cara a fraccións máis estables. As enmendas favoreceron a acumulación de C en diferentes fraccións de agregados, promovendo a formación de fraccións de C física e quimicamente protexidos. OPC31 e OPC44 superaron ó HMC no incremento da materia orgánica asociada a minerais, contribuíndo á estabilización a longo prazo do C. Unha avaliación integrada das funcións do solo e dos servizos ecosistémicos revelou que a aplicación de OPC promove funcións esenciais do solo, como o aumento da produtividade vexetal, o ciclo e retención de nutrientes, a mellora da estrutura e estabilidade do solo, o secuestro de C e a regulación da auga. Globalmente, esta tese demostra que o compostaxe do bagazo de aceitona é unha solución baseada na natureza eficaz para valorizar residuos agroalimentarios e mellorar a saúde do solo en solos mediterráneos degradados. A aplicación de OPC mellora a fertilidade, a estrutura e as funcións hídricas do solo, contribuíndo a unha agricultura sostible, resiliente fronte ás mudanzas climáticas, e que apoia a bioeconomía circular.[Abstract]Loss of soil organic matter (SOM) is a major threat to Mediterranean soils, particularly in NE Portugal, where about 70% of soils are classified as Leptosols – shallow, stony soils with low SOM content. In this region, olive groves dominate agricultural landscapes, and the olive oil industry generates vast quantities of two-phase olive pomace (OP), a by-product with high organic load and phytotoxic properties due to its phenolic content. Composting OP with other agro-industrial residues offers a nature-based solution to mitigate disposal challenges, recycle nutrients, and support a circular bioeconomy. This thesis evaluates the potential of olive-pomace-based composts (OPC) to enhance soil quality and ecosystem services. Initially, a laboratory-scale experiment assessed the short-term effects of OPC application on aggregate stability (AS) in two contrasting soils (Leptosol x Fluvisol), demonstrating that OPC significantly improves AS, especially in soils with initially poor structural conditions (+20% AS compared to control). Subsequently, a pot trial was conducted to evaluate the mid-term effects of OPC on soil properties and plant performance. Three OPCs with different initial proportions of OP (OPC44, OPC31, and OPC25) and a commercial organic amendment (HMC) were incorporated into the 0–5 cm layer of an eutric Leptosol (2.1% OM) at three application rates (10, 20, and 40 t·ha⁻¹), plus control. Italian ryegrass (Lolium multiflorum) was grown under two controlled moisture conditions (50-70% and >70% of field capacity). After 138 days, soil properties were analysed, including SOM and its physical fractionation, total C and N, extractable K, POlsen, pH, CECe, bulk density, porosity, field capacity, and water stable aggregates (WSA). Multivariate analysis indicated that compost dose had a stronger influence on soil properties than compost type. SOM, Ctotal, extractable K, pH, and CECe increased proportionally with application rate. The highest dose led to SOM and Ctotal increases of 13.3 and 8.4 g·kg⁻¹, respectively. Compared to HMC, OPCs provided superior K enrichment. Organic amendments improved soil structure, decreasing bulk density (by 8–15%), increasing porosity and field capacity, and enhancing WSA by ~20%, especially with OPC31 and OPC44. Moreover, OPC application enhanced both physical and chemical protection of SOM. Most of the compost-derived C was initially stored in unprotected and weakly protected pools, with a progressive shift towards more stable ones. The amendments enhanced C accumulation across aggregate size fractions, VIII promoting the formation of physically and chemically protected SOC pools. OPC31 and OPC44 outperformed HMC in increasing mineral-associated organic matter, supporting long-term C sequestration. An integrated assessment of soil functions and ecosystem services revealed that OPC application promotes key soil functions, including enhanced biomass productivity, nutrient cycling and retention, improved soil structure and stability, C sequestration, and water regulation capacity. Overall, this thesis demonstrates that composting olive pomace is an effective nature-based solution to valorise agrifood waste and improve soil health in degraded Mediterranean soils. OPC application enhances soil fertility, structure, and hydraulic functions while contributing to climate resilient, sustainable agriculture and supporting the circular bioeconomy.