NEW RESEARCH ON AGROTECHNICS FOR ORGANIC RICE PRODUCTION AND THEIR SUSTAINABILITY ASSESSMENT

This thesis studies and evaluates the agronomical techniques associated with organic rice cultivation in the Northern Italy area. The study funding is from the Italian MIPAAF project "Risobiosystems", which started in 2017 and ended in 2020. The studies presented are connected to the European sustainable food production strategy "Farm to Fork," which is the core of the European Green Deal to make food systems fair, healthy and environmentally friendly, encouraging the expansion of the organic agriculture sector (European Commission 2020). As reported in the literature, organic farming is capable of reducing the environmental impact of agriculture by avoiding the use of synthetic compounds (e.g. fertilisers, pesticides) and by promoting practices (e.g. crop rotation, leguminous cultivation, organic fertilisers, green manure crops, green mulching.) able to increase the soil carbon stock, and prevent the indirect environmental impacts due to the industrial production of inputs (Acuna et al. 2018). Focusing on the rice sector, the organic system was observed able to increase the soil carbon storage capacity (Komatsuzaki and Syuaib, 2010) and organic matter content, facilitating the soil preparation (Mendoza, 2004) and promoting the ecological succession and temporal heterogeneity of the macrophyte communities into the soil (Martínez- Eixarch et al.; 2017). The thesis is a collection of articles published or under review associated with the organic rice production connected with Risobiosystems project results. Each paper explains my work and contribution, and each Chapter gave rise to new and ongoing studies. Chapter I (https://doi.org/10.1016/j.agsy.2019.102739) reveals the lack of scientific research and information about organic rice farming, especially in Europe and Italy. The studies mainly propose three different weed management techniques in the paddy field that can be considered models that can be standardised on farms specialising in their use. These models are the basis of a sustainable fight against ecological and environmental problems thanks to the strict avoidance of chemicals such as herbicides. Value is given to methodologies whose effectiveness has been widely tested. The green mulching technique uses cover crops that effectively control weeds thanks to four main mechanisms. The first consists of the partial inhibition of weeds' germination thanks to competition for water, nutrients, and shading, which are phenomena caused by the presence of cover crops. The second consists of the mulching effect when the crops are chopped or placed on the ground with rice sowing. The third is represented by the phenomena of allelopathy that arise between cover crops and weeds (this aspect will be further explored in Chapter II, https://doi.org/10.3390/plants9030324, https://doi.org/10.1007/s11356-020-10140-4 ). At the same time, the fourth mechanism is linked to the accumulation of phytotoxic compounds following the fermentation caused by the submersion water of the paddy field: the anaerobic environment that is created leads to the formation of organic acids such as acetic acid, butyric and propionic acid. Allelopathy is an interesting aspect offered by plants in this particular agrotechnical. Allelopathy generally produces and releases secondary metabolites, generating inhibitory effects against nearby plant species. The germination, growth and reproduction of target plants can thus be impaired; these aspects were deepened in Chapter II, starting from the organic farmers' experience. The study aimed to define the inhibitory action of Lolium multiflorum Lam., used as a cover crop before rice sowing against Echinochloa oryzoides (Ard.) Fritsch is one of the main rice weeds. Chapter III focuses on evaluating the environmental impact of organic rice cultivation through LCA considering the production scenarios and the agrotechnics described in Chapter I. The LCA approach was adopted because it is largely used to assess the environmental impact of the agriculture process. However, from an LCA viewpoint, organic agriculture is not an obvious answer to environmental problems because LCA defines the function of the studied system using a 'functional unit', which should be a precise measure of what the system delivers but is not able to consider for example indirect effects. Furthermore, LCAs express impacts per unit of a product by default. However, organic agriculture generally emits fewer pollutants per unit of land occupied than conventional agriculture (an area-based approach); it may have higher impacts per unit of product due to its lower yields per unit area (van der Werf, 2020).

Questa tesi studia e valuta le tecniche agronomiche legate alla coltivazione del riso biologico nell'area del Nord Italia. Il finanziamento principale di questa tesi deriva dal progetto MIPAAF "Risobiosystems", iniziato nel 2017 e terminato nel 2020. Gli studi presentati sono collegati alla strategia europea di produzione alimentare sostenibile "Farm to Fork", che è il fulcro del Green Deal europeo per rendere i sistemi alimentari equi, sani e rispettosi dell'ambiente, incoraggiando l'espansione del settore dell'agricoltura biologica (Commissione europea 2020). Come riportato in letteratura, l'agricoltura biologica è in grado di ridurre l'impatto ambientale dell'agricoltura evitando l'uso di composti di sintesi (es. fertilizzanti, pesticidi) e favorendo pratiche (es. rotazione delle colture, leguminose, fertilizzanti organici, sovescio, verde pacciamatura.) in grado di aumentare lo stock di carbonio nel suolo e prevenire gli impatti ambientali indiretti dovuti alla produzione industriale di input (Acuna et al. 2018). Concentrandosi sul settore del riso, è stato osservato che il sistema organico è in grado di aumentare la capacità di stoccaggio del carbonio nel suolo (Komatsuzaki e Syuaib, 2010) e il contenuto di materia organica, facilitando la preparazione del suolo (Mendoza, 2004) e favorendo la successione ecologica e l'eterogeneità temporale delle comunità biologiche nel suolo (Martínez-Eixarch et al. 2017). Il lavoro di tesi una raccolta di articoli pubblicati o in corso di revisione, ogni capitolo riporta il mio contributo, e ogni connessione con altri lavori che sono stati avviati ed ancora in corso. Il capitolo I (https://doi.org/10.1016/j.agsy.2019.102739 ) rivela la mancanza di ricerca scientifica e informazioni sulla risicoltura biologica, soprattutto in Europa e in Italia. Lo studio presenta principalmente tre tecniche innovative di gestione delle erbe infestanti in risaia che possono essere considerate modelli adattabili nel loro contesto per la coltivazione del riso biologico. Questi modelli sono alla base di una lotta sostenibile contro i problemi ecologici e ambientali grazie al rigoroso divieto di sostanze chimiche come gli erbicidi. Nel lavoro emergono le metodologie la cui efficacia è stata ampiamente testata. In particolare la tecnica della “pacciamatura verde” utilizza colture di copertura (cover-crops) che controllano efficacemente le erbe infestanti grazie a quattro meccanismi principali. Il primo consiste nella parziale inibizione della germinazione delle erbe infestanti grazie alla competizione per l'acqua, i nutrienti e l'ombreggiamento, fenomeni causati dalla presenza di colture di copertura. La seconda consiste nell'effetto pacciamatura quando le cover-crops vengono sminuzzate o poste a terra con la semina del riso. Il terzo è rappresentato dai fenomeni di allelopatia che insorgono tra cover crops ed erbe infestanti (questo aspetto sarà approfondito nel Capitolo II, https://doi.org/10.3390/plants9030324 , https://doi.org/10.1007/s11356 -020-10140-4 ). Allo stesso tempo, il quarto meccanismo è legato all'accumulo di composti fitotossici a seguito della fermentazione provocata dall'acqua di immersione della risaia: l'ambiente anaerobico che si crea porta alla formazione di acidi organici come acido acetico, butirrico e propionico acido. L'allelopatia è un aspetto interessante offerto dalle piante in questa particolare agrotecnica. L'allelopatia generalmente produce e rilascia metaboliti secondari, generando effetti inibitori contro le specie vegetali vicine. La germinazione, la crescita e la riproduzione delle piante bersaglio possono così essere compromesse; questi aspetti sono stati approfonditi nel Capitolo II, partendo dall'esperienza degli agricoltori biologici. Lo studio mirava a definire l'azione inibitoria del Lolium multiflorum Lam., utilizzato come coltura di copertura prima della semina del riso nei confronti dell'Echinochloa oryzoides (Ard.) Fritsch è una delle principali infestanti del riso. Il Capitolo III si concentra sulla valutazione dell'impatto ambientale della coltivazione del riso biologico attraverso l'LCA considerando gli scenari produttivi e gli agrotecnici descritti nel Capitolo I. L'approccio LCA è stato adottato perché è largamente utilizzato per valutare l'impatto ambientale del processo agricolo. Tuttavia, da un punto di vista LCA, l'agricoltura biologica non è una risposta ovvia ai problemi ambientali perché LCA definisce la funzione del sistema studiato utilizzando una 'unità funzionale', che dovrebbe essere una misura precisa di ciò che il sistema offre ma non è in grado di considerare ad esempio effetti indiretti. Inoltre, studi LCA esprimono gli impatti per unità di un prodotto per impostazione predefinita. Tuttavia, l'agricoltura biologica generalmente emette meno inquinanti per unità di terra occupata rispetto all'agricoltura convenzionale (un approccio basato sulla superficie); può però avere impatti maggiori per unità di prodotto a causa delle sue rese inferiori per unità di superficie (van der Werf, 2020).