Fertilización y N2O. Implicaciones en la huella de carbono.

Todos los alimentos obtenidos de origen vegetal llevan asociada una cierta cantidad de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), que se cuantifican a través de su huella de carbono. De los GEI, la agricultura es principalmente responsable de la emisión de óxido nitroso (N2O), que es el que presenta mayor poder de calentamiento global. La metodología del IPCC, aparte de sobreestimar con su valor por defecto las emisiones de N2O de nuestros agrosistemas, no tiene en cuenta el fin último de la agricultura que es satisfacer la demanda mundial de alimentos, fibras y combustibles. Por ello, en este artículo se propone evaluar las emisiones de N2O en base al rendimiento del cultivo. Posteriormente, se enumeran una serie de buenas prácticas agrícolas cuyo fin es aumentar la eficiencia del uso del N por parte del cultivo así como reducir las emisiones de N2O

Evaluación de prácticas agrícolas (laboreo y rotación) para mitigar gases de efecto invernadero en clima mediterráneo

El laboreo de conservación (Mínimo Laboreo, ML; No Laboreo, NL) y la rotación de cultivos están consideradas como Buenas Prácticas Agrícolas, y contribuyen a mejorar las propiedades físicas y la fertilidad del suelo, así como a reducir el empleo de algunos insumos agrarios (Follet y Schimel 1989). Sin embargo, existe gran controversia sobre el efecto de estas prácticas sobre las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), a las que la agricultura contribuye en un 13.5 %, siendo normalmente el óxido nitroso (N2O) el mayor determinante del Poder de Calentamiento Global derivado de los agrosistemas (IPCC, 2006). La variabilidad de resultados y la escasez de estudios en zonas mediterráneas, especialmente sobre el efecto de la rotación de cultivos, justifican la necesidad de nuevos estudios sobre este tema. El objetivo principal de este ensayo ha sido evaluar la influencia de las prácticas de laboreo de conservación frente al Laboreo Tradicional (LT) mediante vertedera; así como la rotación barbecho - trigo (Tritucum aestivum L. var. ́Marius`) frente a monocultivo de trigo, sobre las emisiones de GEI(N2O, CH4 y CO2) desde el suelo

Crop rotation and residues influence N2O emission and N efficiency rather than tillage under a rainfed Mediterranean agroecosystem

Conservation tillage and crop rotation have spread during the last decades because promotes several positive effects (increase of soil organic content, reduction of soil erosion, and enhancement of carbon sequestration) (Six et al., 2004). However, these benefits could be partly counterbalanced by negative effects on the release of nitrous oxide (N2O) (Linn and Doran, 1984). There is a lack of data on long-term tillage system study, particularly in Mediterranean agro-ecosystems. The aim of this study was to evaluate the effects of long-term (>17 year) tillage systems (no tillage (NT), minimum tillage (MT) and conventional tillage (CT)); and crop rotation (wheat (W)-vetch (V)-barley (B)) versus wheat monoculture (M) on N2O emissions. Additionally, Yield-scaled N2O emissions (YSNE) and N uptake efficiency (NUpE) were assessed for each treatment

Effect of organic and mineral fertilizers on greenhouse gases emissions from an irrigated maize crop in Madrid Spain

Both solid or liquid OF showed a significant abatement of N2O cumulative emissions in this irrigated Mediterranean cropping area (P < 0.05) comparing to U. Urea-Pig Compost (U-PC) treatment showed the lowest CH4 sink and highest cumulative soil respiration rates (P<05). Considering GHG-GWP, the use of OF can be considered as an advisable practice to mitigate GHG emissions under Mediterranean climatic conditions

Modeling GHG emissions, N and C dynamics in Spanish agricultural soils.

To date, only few initiatives have been carried out in Spain in order to use mathematical models (e.g. DNDC, DayCent, FASSET y SIMSNIC) to estimate nitrogen (N) and carbon (C) dynamics as well as greenhouse gases (GHG) in Spanish agrosystems. Modeling at this level may allow to gain insight on both the complex relationships between biological and physicochemical processes, controlling the processes leading to GHG production and consumption in soils (e.g. nitrification, denitrification, decomposing, etc.), and the interactions between C and N cycles within the different components of the continuum plant-soil-environment. Additionally, these models can simulate the processes behind production, consumition and transport of GHG (e.g. nitrous oxide, N2O, and carbon dioxide, CO2) in the short and medium term and at different scales. Other sources of potential pollution from soils can be identified and quantified using these process-based models (e.g. NO3 y NH3)

El papel de las micorrizas en la agricultura.

Las micorrizas son hongos simbióticos que colonizan las raíces de más de un 80% de las especies vegetales. Su presencia, entre otros factores, favorece un aumento de la absorción de nitrógeno y fósforo, reduce el estrés salino y el hídrico y aumenta la resistencia a determinados patógenos de sus plantas huésped. Son capaces también de incrementar el establecimiento, nodulación y capacidad de fijación de nitrógeno de las leguminosas. Es decir, pueden aumentar los rendimientos de los cultivos en los que se hallan. Su efecto sobre los gases de efecto invernadero es variable debido a los múltiples procesos en los que intervienen. Por lo tanto, el estudio de su ecología y funcionamiento en los ecosistemas agrarios es esencial para la mejora del crecimiento y productividad de los cultivos

Influence of denitrifiers abundance on N2O emissions in long term tillage system under a rainfed legume crop

Current studies about nitrous oxide (N2O) emissions from legume crops have raised considerable doubt, observing a high variability between sites (0.03-7.09 kg N2O–N ha−1 y -1) [1]. This high variability has been associated to climate and soil conditions, legume species and soil management practices (e.g. conservation or conventional tillage). Conservation tillage (i.e. no tillage (NT) and minimum tillage (MT)) has spread during the last decades because promotes several positive effects (increase of soil organic content, reduction of soil erosion and enhancement of carbon (C) sequestration). However, these benefits could be partly counterbalanced by negative effects on the release of N2O emissions. Among processes responsible for N2O production and consumption in soils, denitrification plays an importantrole both in tilled and no-tilled ropping systems [2]. Recently, amplification of functional bacterial genes involved in denitrification is being used to examine denitrifiers abundance and evaluate their influence on N2O emissions. NirK and nirS are functional genes encoding the cytochrome cd1 and copper nitrite reductase, which is the key enzyme regulating the denitrification process

Efecto de fertilizantes orgánicos y minerales y dos sistemas de riego en las emisiones de Gases de Efecto Invernadero en un cultivo de maíz

La aplicación de fertilizantes orgánicos junto con inhibidores de la nitrificación, y su interacción con sistemas de riego localizado pueden conducir a un incremento en la eficiencia en el uso de nitrógeno (N), reduciendo las pérdidas por volatilización de NH3 y las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)

Greenhouse gas emissions in conservation and conventional agriculture systems under rainfed mediterranean agro-ecosystem

Durante las últimas décadas, las prácticas de Agricultura de Conservación han ido progresivamente en aumento en agroecosistemas de secano semiárido de la zona Mediterránea debido a sus beneficiosos efectos en los suelos agrícolas, como por ejemplo: incremento de la materia orgánica, mejora de la calidad y fertilidad, y aumento del secuestro del Carbono orgánico del suelo (SOC). Sin embargo, el efecto de estas prácticas agrícolas en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), particularmente en la emisión de oxido nitroso (N2O), no es consistente y existe, todavía hoy, una gran controversia en este tema con resultados bastantes contradictorios. Además, dada la creciente preocupación por la contaminación medioambiental y la productividad agrícola, un mejor entendimiento del manejo de estas prácticas agrícolas es necesario para poder hacer frente a dos retos en los próximos años: incrementar la producción de alimentos para satisfacer la creciente demanda asociada al aumento de la población mundial y reducir la contaminación medioambiental. El principal objetivo de esta tesis es: “Evaluar el impacto de las prácticas de agricultura de conservación de largo duración (las cuales incluyen siembra directa, mínimo laboreo y rotación de cultivos) en las emisiones de GEI (N2O y metano (CH4)) en agrosistemas de secano con bajo aporte de nitrógeno (N) en condiciones de clima Mediterráneo semiárido, con el fin de poder determinar la combinación más optima en términos agronómicos y medioambientales. Para lograr este objetivo, se establecieron varios ensayos de campo en condiciones de clima Mediterráneo semiárido (Comunidad de Madrid, centro de España), que incluían una rotación de cultivos de secano (barbecho-cereales –leguminosa) en tres sistemas de laboreo: siembra directa, mínimo laboreo y laboreo tradicional, durante varias campañas. Las emisiones de GEI (principalmente N2O, pero también metano, CH4), parámetros de suelo (por ejemplo, C orgánico disuelto o N mineral) y los rendimientos fueron evaluados. Además, la abundancia de desnitrificadores mediante técnicas moleculares de PCR (codificados por los genes nirK y nirS) y la capacidad de desnitrificación fueron cuantificados en un momento puntual (primavera). Finalmente, los datos generados durante estas campañas se usaron para calibrar y validar el modelo “Decomposition and Denitrification” (DNDC) en los sistemas de siembra directa y laboreo tradicional en la rotación trigo-veza en condiciones de clima Mediterráneo semiárido. En esta tesis, las emisiones de N2O fueron bajas debido al ajuste de la fertilización nitrogenada a las condiciones del suelo. El impacto de la rotación de cultivos en las emisiones de N2O se atribuyó principalmente a los siguientes factores: ratios de aporte de N, tipo y manejo de residuos procedentes del cultivo anterior en la rotación de cultivos, y de la interacción del sistema de laboreo con los residuos. El trigo rotacional redujo las pérdidas de N2O e incrementó la oxidación de CH4 y el rendimiento en grano comparado con el trigo monocultivo, y por tanto, mostró una reducción en las emisiones de N2O escaladas al rendimiento. De este modo, las rotaciones de cultivo que incluyen leguminosas, se pueden considerar como una estrategia óptima para disminuir las emisiones de GEI (N2O y CH4) e incrementar el rendimiento de cultivo, junto con los beneficios agronómicos asociado a la rotación de cultivos, como por ejemplo: reducción de las malas hierbas y el uso de pesticidas, mejora de la calidad del suelo y reducción del uso de fertilizantes minerales N debido a la fijación de N por las leguminosas. En general, el efecto de los sistemas de laboreo de larga duración en las emisiones de N2O fue similar entre siembra directa, mínimo laboreo y laboreo convencional en la rotación de secano (barbecho-cereal-leguminosa) bajo condiciones de clima Mediterráneo semiárido. Teniendo en cuenta esa falta de efecto del laboreo en las emisiones de N2O, fue necesario considerar otras fuentes o sumidero de emisiones de GEI para poder identificar prácticas de mitigación de estos GEI. La oxidación de CH4 no se vio afectada por las prácticas de laboreo de larga duración en este agrosistema de secano de la cuenca Mediterránea semiárida. En general, los sistemas de laboreo mostraron un poder de calentamiento global asociado a las emisiones de GEI positivo, lo que demostró que a pesar de las bajas emisiones de N2O, el consumo de CH4 no compensó las pérdidas de N2O. Así, la evaluación del poder de calentamiento global asociado a las emisiones de GEI durante varias campañas en diferentes cultivos no demostró un claro efecto sobre la mitigación de los sistemas de laboreo en las emisiones de GEI. Sin embargo, si consideramos otros factores, tales como el almacenamiento de C orgánico del suelo (secuestro de C orgánico del suelo) y el poder de calentamiento global neto, es decir, considerando las emisiones de CO2-equivalentes derivadas de los insumos y operaciones agrícolas, las diferencias entre laboreos aparecen. La siembra directa incrementó el almacenamiento de C orgánico del suelo y redujo el poder de calentamiento global neto comparado con los otros 2 sistemas de laboreo, ya que los CO2-equivalentes derivados de los insumos y operaciones agrícolas fueron menores en siembra directa que en mínimo laboreo y laboreo convencional, debido a una reducción en el número de operaciones agrícolas. Por lo tanto, la combinación de siembra directa y rotación de cultivos, que incluya cereal y leguminosa, son prácticas recomendables para mitigar las emisiones de CO2-equivalentes sin afectar a los rendimientos comparado con los sistemas de mínimo laboreo y laboreo tradicional en agrosistemas de secano semiárido. Además, la siembra directa reduce las emisiones de N2O escaladas al rendimiento en años secos (con precipitaciones inferiores a 200 mm). Los sistemas de laboreo afectaron a la capacidad de desnitrificación (N2O+N2) y a la abundancia del gen nirK para el caso del cultivo de veza, a diferencia del barbecho y el trigo rotacional, durante el momento puntual analizado (primavera). Sin embargo, una mayor densidad del gen nirK junto con condiciones favorables para la desnitrificación se observó en el barbecho en comparación con el trigo rotacional, lo que explicaría las mayores emisiones de N2O observadas en las parcelas de barbecho durante ese periodo crítico evaluado en comparación con el trigo rotacional. En general, en este agro-ecosistema de secano semiárido de la cuenca Mediterránea, la producción agrícola de los cultivos (trigo y veza en rotación y trigo en monocultivo) no se vio afectada por los sistemas de laboreo estudiados. Las emisiones escaladas al rendimiento fueran bajas (< 7 g N2O-N kg-1 N absorbido) en todos los sistemas de laboreo, debido principalmente a las bajas emisiones de N2O medidas. La calibración y validación del modelo “DNDC” en los sistemas de laboreo siembra directa y laboreo convencional mostró un buen ajuste entre datos observados y simulados en el contenido de agua del suelo y los rendimientos de los cultivos de veza y trigo en rotación. Sin embargo, el modelo DNDC en general sobreestimó los flujos de N2O diarios en todos los tratamientos evaluados (siembra directa y laboreo tradicional en trigo y veza en rotación), produciendo desviaciones en las emisiones acumuladas de N2O entre datos observados y simulados en los dos sistemas de laboreo. Estos resultados se pueden considerar como un primer paso hacia el cumplimiento de la metodología del TIER 3, con el fin de mejorar el inventario nacional de emisiones GEI en agro-ecosistemas de secano semiárido en clima Mediterráneo. ----------ABSTRACT---------- Conservation agriculture practices have widespread in the last decades in semiarid Mediterranean agroecosystems because of their beneficial effects on the increase in soil organic matter, improve soil quality and fertility, and enhance soil organic carbon (SOC) sequestration. However, the impact of these agricultural management practices on greenhouse gas (GHG) emissions, particularly nitrous oxide emissions (N2O), is not consistent and controversy on this matter remains today. Given increasing concerns about the environmental pollution and agronomic productivity, a better understanding of these agricultural management practices is required to face two challenges in the coming future: increase the food production to meet the increase in world population and reduce the environmental pollution. Thus, the main objective of this thesis was: “To evaluate the impact of long-term conservation agricultural practices (which involved no tillage (NT) and minimum tillage (MT) and crop rotation) versus conventional agricultural practices (CT and monoculture) on GHG emissions (N2O and CH4) in low N input systems under rainfed semiarid Mediterranean agro-ecosystem in order to find the best optimal combination between environmental and agronomic perspective”. To achieve this objective, several field experiments were performed under semiarid Mediterranean conditions (Comunidad de Madrid, Centre of Spain), involving rainfed cereallegume crop rotation and wheat in monoculture in three long-term tillage systems: no tillage (NT), minimum tillage (MT) and conventional tillage (CT), during several campaigns with contrasting climatic conditions. Greenhouse gas emissions (N2O and CH4), soil parameters (e.g. dissolved organic C and mineral N) and crop yields were quantified. Additionally, denitrification capacity and denitrifier abundance (targeted by nirK and nirS genes) by molecular PCR approach were measured at a critical time (spring). Finally, field-experiment dataset collected during these campaigns were used for the calibration and validation of the Decomposition and Denitrification (DNDC) model in NT and CT systems for wheat-vetch rotation under rainfed Mediterranean semiarid conditions. Nitrous oxide fluxes measured in this thesis were low by adjusting fertilizer N rate to soil N conditions. The impact of crop rotation on N2O emissions is attributed mainly to the following factors: N fertilization rates, type and management of crop residue from the previous crop in rotation and the interaction effect of tillage with the crop residues. In this sense, rotational wheat reduced N2O losses and increased CH4 oxidation and grain yield compared to wheat in monoculture and, in turn, produced an abatement of YSNE. Thus, the crop rotations including legumes could be considered as a good strategy for decreasing GHG emissions (N2O and CH4) while increasing crop yield, together with the agronomic benefits associated to crop rotation (i.e.: reduction of weed population and use of pesticides, improvement of soil quality, decrease the use in N fertilizer through increasing N input by legumes N fixation). Overall, the impact of long-term tillage systems on N2O emissions was similar between NT/MT and CT in a fallow-cereal-legume rotation under rainfed conditions. Given the lack of effect of tillage systems on N2O emissions, considering other GHG sink or sources are necessary to identify mitigation practices. Methane uptake was not affected by long-term tillage practices in rainfed Mediterranean semiarid agro-ecosystem.. Tillage systems (NT, MT and CT) overall showed a positive GHG-GWP emission, revealing that in spite of low measured N2O emissions, CH4 uptake did not offset N2O losses. Thus, the evaluation of GHG-GWP during several campaigns in different crops did not show a clear effect about the mitigation of tillage systems on global GHG emission. However, if we considered other factors such as: ΔSOC content and net-GWP (CO2-eq emissions), differences arised between tillage systems. No tillage systems increased the ΔSOC content and reduced net GWP compared to MT and CT, because of CO2-eq emissions for farm inputs and operations in NT system were lowest than MT/CT and less important due to a reduction in the number of operations. Therefore, the combination of NT systems and crop rotations, including cereal-legume crops, can be a good strategy to reduce CO2-eq emissions without yield penalties compared to MT and CT systems in rainfed semiarid agroecosystems. In addition to, NT can mitigate YSNE in dry years (rainfall < 200 mm). Tillage systems affected to denitrification capacity (N2O+N2) and nirK gene abundance in vetch crop, as opposed to fallow and wheat, at a crucial time (spring). However, greater nirK density together with favourable conditions for denitrification process was observed in fallow than in rotational wheat plots, which may explain the higher N2O fluxes measured in fallow than in wheat at that time (spring). Overall, crop yields (rotational wheat, wheat in monoculture and vetch) were not affected by tillage systems under semiarid Mediterranean conditions. Low YSNE (< 7 g N2O-N kg-1 N uptake) was found for all tillage systems in this rainfed Mediterranean agro-ecosystem, mainly due to the low measured N2O emissions. Calibration and validation of DNDC model for NT and CT systems showed a fair agreement in soil water content and crop yields for wheat and vetch in rainfed Mediterranean agro-ecosystems. But the DNDC model overall overestimated the daily N2O fluxes for all treatments (WNT, WCT, VNT and VCT), producing deviations between model and measured cumulative N2O emissions in NT and CT systems. These results can be considered as a potential step towards Tier 3 approach in order to improve the national GHG emissions inventory in rainfed semiarid Mediterranean agro-ecosystems

Conservation Agriculture practices reduce the global warming potential of rainfed low N input semi-arid agriculture

Conservation tillage and crop rotations improve soil quality. However, the impact of these practices on greenhouse gas (GHG) emissions and crop yields is not well defined, particularly in dry climates. A rainfed 2-year field-experiment was conducted to evaluate the effect of three long-term (17–18 years) tillage systems (Conventional Tillage (CT), Minimum Tillage (MT) and No Tillage (NT)) and two cropping systems (rotational wheat (Triticum aestivum L.) preceded by fallow, and wheat in monoculture), on nitrous oxide (N2O) andmethane (CH4) emissions,during twofieldcampaigns. Soilmineral N, water-filled pore space, dissolved organic carbon (C) and grain yield were measured and yield-scaled N2O emissions, N surplus and Global Warming Potentials (GWP) were calculated. No tillage only decreased cumulative N2O losses (compared to MT/CT) during campaign 1 (the driest campaign with least fertilizer N input), while tillage did not affect CH4 oxidation. The GWP demonstrated thatthe enhancement of C stocks under NT caused this tillage management to decrease overall CO2 equivalent emissions. Monoculture increased N2O fluxes during campaign 2 (normal year and conventional N input) and decreased CH4 uptake, as opposed to rotational wheat. Conversely, wheat in monoculture tended to increase soil organic C stocks and therefore resulted in a lower GWP, but differences were not statistically significant. Grain yields were strongly influenced by climatic variability. The NT and CT treatments yielded most during the dry and the normal campaign, and the yield-scaled N2O emissions followed the same tendency. Minimum tillage was not an adequate tillage management considering the GWP and the yield-scaled N2O emissions (which were 39% lower in NT with respect to MT). Regarding the crop effect, wheat in rotation resulted in a 32% increase in grain yield and 31% mitigation of yield-scaled N2O emissions. Low cumulative N2O fluxes (<250 g N2O-N ha-1 campaign-1) highlighted the relevance of soil organic C and CO2 emissions from inputs and operations in rainfed semi-arid cropping systems. This study suggests that NT and crop rotation can be recommended as good agricultural practices in order to establish an optimal balance between GHGs fluxes, GWP, yield-scaled N2O emissions and N surpluses