Biodiverse grasslands are reported to increase productivity and soil organic carbon stocks (SOC) as well as to reduce nitrous oxide (N₂O) emissions compared to monocultures. The positive effects of biodiversity are generally attributed to complementarity (niche partitioning and facilitation) among different species, through which their morphophysiological dissimilarities allow for greater overall exploitation of light, water and nutrients across space, time and soil chemical gradients. However, there is no information on how traits of tropical C₄ perennial forage grasses commonly used under intensive grazing management and their association affect soil N and C dynamics. The objective of the study was to identify wether a mixture of C₄ perennial grasses with contrasting growth strategies may be an alternative to mitigate GHG emissions relative to their monocultures. The field experiment was carried out in Piracicaba/SP, Brazil, from Jan/2020 until Mar/2022, using a randomized complete block design, with four replications. Treatments corresponded to three tropical perennial forage grass species: Andropogon gayanus cv. Planaltina (gamba grass), Megathyrsus maximum cv. Massai (guinea grass) and Urochloa brizantha cv. BRS Piata (palisade grass) cultivated in monoculture and in association (the three grass species sown in equal proportions). Species traits varied among the monocultures, which influenced both N₂O emissions and SOC stocks. Gamba grass showed poorer root development, but greater plant nitrogen content, which seems to have stimulated N cycling and N₂O efflux during the whole experimental period. The greater nitrogen content of gamba grass also influenced the stabilization of plant derived carbon input into the mineral-associated form (MAOC), presumably by stimulating microbial activity. Guinea and palisade grass presented contrasting rooting strategies of precision (length development efficiency) and scale (greater biomass), respectively. The species strategies reduced N₂O emissions during different seasons of the year, according to the respective soil NO₃^- and NH₄⁺ content. Palisade grass greater herbage and root biomass positively influenced the soil particulate organic carbon (POC) accumulation, as it represented greater plant C input. On the other hand, greater length development and lower N content of guinea grass roots were related to lower and negative values of MAOC and POC, which seems to be the result of priming effect. The dissimilar traits of species used generated complementarity in their association, as shown by increased root biomass and N-stock compared to the expected from the monocultures. Also, guinea and gamba grass shifted their functional traits towards a more conservative mode when grown in association. This shift may have slowed N-cycling in the association, as indicated by the smaller ammonia oxidizing archaea gene abundance, soil NO₃^- content and greater soil NH₄⁺ content, compared to the expected values from the monocultures. Both complementarity and intraspecific shift of species grown in association contributed to reduce N₂O efflux in the multispecies swards. Root over yielding by the association was also related to increased POC, but no effect was observed in the MAOC. We concluded that the species traits and their association influence soil C and N cycles, allowing for sustainable intensification of animal production systems from pastures.

Pastagens biodiversas têm a capacidade de aumentar a produtividade, o estoque de carbono do solo e de reduzir as emissões de óxido nitroso (N₂O) em relação a monocultivos. Esses efeitos são atribuídos à complementaridade, por meio da qual diferenças morfofisiológicas entre as espécies permitem o uso mais eficiente dos recursos em escalas variáveis de tempo, espaço e gradientes químicos do solo. Entretanto, não há informações sobre como as características de gramíneas forrageiras tropicais C₄ e sua associação afetam a dinâmica do carbono e do nitrogênio no solo. O objetivo deste estudo foi identificar se uma mistura de gramíneas perenes C₄ com estratégias de crescimento contrastantes pode ser uma alternativa para mitigar as emissões de gases de efeito estufa em relação a seus monocultivos. O experimento foi conduzido em Piracicaba/SP, Brasil, de Janeiro/2020 a Março/2022, segundo um delineamento de blocos completos casualizados, com quatro repetições. Os tratamentos corresponderam a três gramíneas forrageiras tropicais C₄: Andropogon gayanus cv. Planaltina (AND), Megathyrsus maximum cv. Massai (MAS) and Urochloa brizantha cv. BRS Piatã (PIA) cultivadas em monocultura e em associação (ASS as três espécies semeadas em iguais proporções). As características específicas das espécies em monocultura foram determinantes da emissão de N₂O e do acúmulo/perda de carbono do solo. O capim-andropogon apresentou menor sistema radicular e a maior concentração de nitrogênio na parte aérea e raiz, o que contribuiu para maiores emissões de N₂O desse tratamento. A maior concentração de nitrogênio do AND também influenciou positivamente o acúmulo de carbono orgânico associado a minerais do solo (COAM), possivelmente por estimular a atividade microbiana. Os cultivares PIA e MAS apresentaram estratégias contrastantes relativas ao desenvolvimento radicular, maior biomassa e maior comprimento, respectivamente. O efeito das estratégias sobre as emissões de N₂O desses dois cultivares variou entre estações do ano, conforme as concentrações de NO₃^- e NH₄⁺ do solo. A maior biomassa do PIA influenciou positivamente o acúmulo de carbono orgânico em material particulado (COP), resultado do maior input de matéria orgânica. O maior comprimento e menor concentração de N das raízes de MAS influenciaram negativamente o estoque de C do solo, estimulando a degradação da matéria orgânica existente no solo (priming). As características contrastantes das espécies utilizadas na associação permitiram o desenvolvimento de complementaridade, o que resultou em maior biomassa e quantidade de N nas raízes em relação ao valor esperado a partir das monoculturas. Ainda, os traços funcionais de MAS e AND foram alterados para um modo mais conservador no uso de recursos na associação, contribuindo para redução da intensidade do ciclo de N no solo (menor abundância do gene relacionado ao processo de nitrificação, menor concentração de NO₃^- e maior NH₄⁺ no solo). Os efeitos de complementaridade e alterações no modo de uso de recursos na associação contribuíram para redução das emissões de N₂O. O incremento na biomassa de raízes na associação também influenciou positivamente o COP, porém o mesmo efeito não foi observado para o COAM. As características das espécies e sua associação foram determinantes dos ciclos de C e N do solo, o que pode ser utilizado para a intensificação sustentável de sistemas de produção animal em pastagens.