Innovative Strategies to Protect Natural Resources and Reduce the Environmental Impact of Agriculture: Solutions for Soil Quality Assessment and Protection

Soil degradation in Mediterranean agroecosystems, characterised by low organic matter, high hydroclimatic variability, and increasing anthropogenic pressure, compromises the processes that underpin soil fertility, nutrient availability, and ecosystem resilience. In this context, circular fertilizers derived from agro-industrial residues represent an effective strategy to restore soil functionality and reduce dependence on mineral inputs. This thesis provides a comparative evaluation of farmyard manure, mineral NPK, newly developed composts and vermicomposts (produced from sawdust and source-separated organic waste), and the innovative RecOrgFert PLUS fertilizer (elemental sulphur combined with citrus waste) on soil quality and crop responses in Mediterranean horticultural systems. An integrated framework was applied, combining chemical, biological, biochemical, microbiological, physical, and faunistic indicators, including pH, cation exchange capacity, organic carbon, organic matter, C/N ratio, soil moisture, microbial biomass, enzymatic activities, and the QBS-ar index. Multivariate analyses enabled a comprehensive interpretation of the interactions among these indicators, highlighting key processes associated with carbon dynamics, nutrient availability, and soil biodiversity. Traditional fertilizers such as manure and NPK generated limited and short-term effects, without promoting substantial improvements in soil functioning. In contrast, RecOrgFert PLUS elicited the strongest responses, enhancing biological and biochemical soil parameters and improving broccoli nutritional quality. Compost and vermicompost further demonstrated a marked capacity to enhance soil quality by increasing organic carbon, cation exchange capacity, microbial activity, and enzymatic processes. Lignocellulosic matrices favoured the accumulation of stable organic matter, whereas more biodegradable mixtures stimulated rapid microbial activation. The QBS-ar index confirmed the superior effectiveness of organic matrices in improving soil biological quality, highlighting significant increases in the diversity and abundance of edaphic fauna that were not observed in soils treated with mineral NPK fertilizers. The results demonstrate that the regeneration of Mediterranean soils requires a synergistic activation of the chemical, biological, enzymatic, and faunal components of the edaphic system. In this context, circular fertilizers emerge as effective tools for enhancing soil functionality, improving the quality of agricultural production, and promoting the sustainability of Mediterranean cropping systems.

Il degrado del suolo negli agroecosistemi mediterranei, caratterizzati da ridotto contenuto di sostanza organica, elevata variabilità idro-climatica e crescente pressione antropica, compromette i processi che sostengono la fertilità del suolo, la disponibilità dei nutrienti e la resilienza ecosistemica. In questo contesto, i fertilizzanti circolari derivati da residui agro-industriali rappresentano una strategia efficace per ripristinare la funzionalità edafica e ridurre la dipendenza dagli input minerali. Questa tesi fornisce una valutazione comparativa degli effetti di stallatico, fertilizzante minerale NPK, nuovi compost e vermicompost (prodotti da segatura e frazione organica umida) e del fertilizzante innovativo RecOrgFert PLUS (zolfo elementare combinato con pastazzo di agrumi) sulla qualità del suolo e sulle risposte colturali in sistemi orticoli mediterranei. È stato adottato un framework integrato che combina indicatori chimici, biologici, biochimici, microbiologici, fisici e faunistici, tra cui pH, capacità di scambio cationico, carbonio organico, sostanza organica, rapporto C/N, contenuto idrico, biomassa microbica, attività enzimatiche e indice QBS-ar. Le analisi multivariate hanno consentito un’interpretazione completa delle interazioni tra tali indicatori, evidenziando i processi chiave associati alla dinamica del carbonio, alla disponibilità dei nutrienti e alla biodiversità del suolo. I fertilizzanti tradizionali, quali stallatico e NPK, hanno prodotto effetti limitati e di breve durata, senza promuovere miglioramenti sostanziali della funzionalità del suolo. Al contrario, RecOrgFert PLUS ha suscitato le risposte più marcate, incrementando i parametri biologici e biochimici del suolo e migliorando la qualità nutrizionale dei broccoli. Compost e vermicompost hanno ulteriormente dimostrato un’elevata capacità di miglioramento della qualità del suolo, aumentando il carbonio organico, la capacità di scambio cationico, l’attività microbica e i processi enzimatici. Le matrici lignocellulosiche hanno favorito l’accumulo di sostanza organica stabile, mentre quelle più biodegradabili hanno stimolato una rapida attivazione microbica. L’indice QBS-ar ha confermato la superiore efficacia delle matrici organiche nel migliorare la qualità biologica del suolo, evidenziando incrementi significativi nella diversità e nell’abbondanza della fauna edafica, non riscontrati nei suoli trattati con fertilizzanti minerali NPK. I risultati dimostrano che la rigenerazione dei suoli mediterranei richiede un’attivazione sinergica delle componenti chimiche, biologiche, enzimatiche e faunistiche del sistema edafico. In tale contesto, i fertilizzanti circolari si configurano come strumenti efficaci per il potenziamento della funzionalità del suolo, il miglioramento della qualità delle produzioni agricole e la promozione della sostenibilità dei sistemi colturali mediterranei.