Strategies to mitigate greenhouse gas and nitric oxide emissions in rainfed and irrigated agro-ecosystems

Guardia Vázquez, Guillermo (2017). Strategies to mitigate greenhouse gas and nitric oxide emissions in rainfed and irrigated agro-ecosystems. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47329.

Descripción

Título: Strategies to mitigate greenhouse gas and nitric oxide emissions in rainfed and irrigated agro-ecosystems
Autor/es:
  • Guardia Vázquez, Guillermo
Director/es:
  • Vallejo García, Antonio
  • Robert Chadwick, David
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Química y Tecnología de Alimentos
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La agricultura es uno de los principales contribuyentes a las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI), principalmente a través del óxido nitroso (N2O). Las emisiones a escala mundial del gas reactivo óxido nítrico (NO) en sistemas agrícolas constituyen también un importante problema medioambiental. Una visión integrada de las mejores estrategias de manejo (por ejemplo, laboreo reducido o siembra directa, el uso de cultivos captura en agrosistemas de regadío, rotación de cultivos incluyendo leguminosas, manejo del riego, uso de inhibidores de la nitrificación o actividad ureasa y elección de la fuente y fraccionamiento del nitrógeno, N) carece muchas veces de un balance completo de todas las posibles fuentes y sumideros de GEI, incluyendo secuestro de carbono (C) y las emisiones de dióxido de carbono (CO2) derivadas de los insumos y operaciones agrícolas, particularmente cuando se llevan a cabo prácticas de Agricultura de Conservación. El objetivo principal de esta Tesis fue evaluar posibles estrategias de mitigación de GEI (principalmente N2O) y NO, basadas en Agricultura de Conservación, manejo de la fertilización N y su interacción con el riego, en sistemas de secano y regadío, con el fin de encontrar las prácticas que supongan un balance óptimo desde el punto de vista económico y medioambiental, es decir, mitigación de emisiones y mantenimiento/incremento de los rendimientos. Para llevar a cabo este objetivo, se establecieron varios ensayos en condiciones de clima mediterráneo semiárido (Comunidad de Madrid, centro de España) en cultivos de secano y regadío. Las emisiones de GEI (principalmente N2O, pero también metano, CH4, y respiración), parámetros de suelo (por ejemplo, C orgánico disuelto o N mineral) y los rendimientos fueron evaluados. Además, se emplearon técnicas isotópicas (enriquecimiento en N15) para cuantificar la contribución relativa del fertilizante nitrogenado sintético (en una rotación intraanual con cultivos captura), y la importancia relativa de los distintos procesos bioquímicos en un cultivo en regadío tras añadir un fertilizante con o sin inhibidor de la nitrificación. También se llevó a cabo un experimento de laboratorio empleando C14 para evaluar el efecto de la temperatura y tipo de suelo en la eficacia y comportamiento en suelo de dos inhibidores de la nitrificación. Las prácticas de Agricultura de Conservación, como el no laboreo, la inclusión de una leguminosa (sin fertilización N) en rotaciones de secano o el uso de cultivos captura en regadío mostraron, por lo general, una efecto pequeño en las emisiones directas de N2O, pero redujeron significativamente el poder de calentamiento global sin afectar a los rendimientos. El nuevo inhibidor de la nitrificación 2-(3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl) succinic acid isomeric mixture (DMPSA) redujo sistemáticamente las emisiones de óxidos de N aplicado con nitrato amónico o nitrato amónico cálcico en maíz (Zea mays L.) en regadío. Los análisis de 15N2O revelaron que los procesos derivados de la oxidación del amonio (NH4+) contribuyeron más a las emisiones de N2O que la desnitrificación. Sorprendentemente, se observó un efecto del inhibidor en este proceso. La contribución relativa del fertilizante nitrogenado sintético fue mayor que en un sistema con cultivos cubierta, en el cual los residuos con una alta relación C:N pueden incrementar las emisiones procedentes del fertilizante. El DMPSA también fue efectivo en un cultivo de secano (Triticum aestivum L.), pero sólo aplicado con urea, que dio lugar a mayores emisiones que el nitrato amónico cálcico. El ensayo en laboratorio demostró que la mineralización de los dos inhibidores más comercializados en Europa no tiene una gran influencia en su eficiencia, que estuvo claramente influenciada por el tipo de suelo y la temperatura. El uso de inhibidores de la ureasa (per se o en combinación con el inhibidor de la nitrificación DMPSA como doble inhibidor) generalmente redujo las emisiones de óxidos de N en condiciones de secano y regadío, pero generalmente dando lugar a porcentajes de mitigación más bajos que el DMPSA. El fertirriego es considerado como una técnica eficiente de aplicación de agua y fertilizantes durante el cultivo. Su uso en maíz redujo las emisiones de óxidos de N (en proporción similar o incluso mayor al inhibidor DMPSA) sin afectar al rendimiento en grano e incluso incrementando la producción de biomasa aérea. La frecuencia de riego (que afectó a la humedad del suelo) y la distribución espacial del N mineral fueron las variables clave para explicar las menores emisiones en riego por goteo, en comparación con la aspersión. En el cultivo de trigo panadero en secano, el manejo de la aplicación del N a través del fraccionamiento en cobertera también mitigó las emisiones, pero en menor medida que el uso del inhibidor DMPSA. En cultivos mediterráneos de secano, la adopción de prácticas de agricultura de conservación (no laboreo y rotación con leguminosas) y la sustitución de urea por nitrato amónico cálcico son estrategias compatibles que deben llevarse a cabo para reducir emisiones de GEI sin afectar a los rendimientos, teniendo además potenciales ventajas en relación a la calidad del suelo (según lo indicado en estudios previos) , la reducción del coste en fertilizantes o pesticidas, o incrementos en la eficiencia del uso del N o la proteína del grano. Respecto al cultivo de maíz en regadío, se recomienda la combinación de cultivos captura, fertilización integrada, y fertirriego para reducir las emisiones de GEI escaladas al rendimiento, sin afectar a la producción de grano. El uso de inhibidores de la nitrificación o ureasa durante el cultivo principal también puede considerarse como una alternativa interesante. Las prácticas evaluadas y las bajas emisiones por unidad de superficie (0.2-2.0 kg N ha-1) y escaladas al rendimiento (0.6-5.5 g N2O-N kg N-1) que se han obtenido en los experimentos de esta Tesis pueden contribuir a la adopción de factores de emisión y estrategias de mitigación específicos para cada tipo de sistema agrícola en zonas mediterráneas. ABSTRACT Agriculture is one of the main contributors to greenhouse gas (GHG) emissions, mainly through the release of nitrous oxide (N2O). The global emissions of nitric oxide (NO), a reactive nitrogen (N) trace gas, from cropping systems are also of major environmental concern. An integrated assessment of best management strategies (e.g. minimum or zero tillage, the use of cover crops in irrigated agro-ecosystems, crop rotation including legumes, irrigation management, use of nitrification/urease inhibitors or the management of N source and timing) usually lacks a complete balance between all possible GHG sources and sinks, including carbon (C) sequestration and carbon dioxide (CO2) emissions from farm operations and inputs, particularly when Conservation Agriculture practices are stablished. The main objective of this Thesis was to evaluate possible N2O and NO mitigation strategies (based on Conservation Agriculture, N fertilization and its interaction with irrigation) in both rainfed and irrigated Mediterranean agro-ecosystems, in order to find the practices that provide the best balance between environmental and economic viewpoints, i.e. GHG and NO mitigation and the maintenance/enhancement of crop yields. In order to achieve this objective, several field experiments were stablished under dry Mediterraean conditions (Comunidad de Madrid, Centre of Spain) involving rainfed and irrigated crops. GHG (mainly N2O and methane, CH4) and NO emissions, soil parameters (e.g. dissolved organic C and mineral N) and crop yields were quantified. Isotopic techniques (i.e. 15N enrichment) were employed at field conditions to determine the relative contribution of N synthetic fertilizer to N2O losses (in a cover-cropping managed system), as well as the importance of distinct biochemical processes in an irrigated crop after the addition of a nitrification inhibitor. In addition, the influence of soil and temperature on the fate and efficacy of nitrification inhibitors was studied under laboratory conditions by using 14C labelling. Conservation Agriculture practices, such as no tillage, the inclusion of a non-fertilized legume in rainfed rotations and the use of cover crops in irrigated systems generally showed a neutral response on N2O emissions, but significantly reduced the global warming potential (total GHG emissions, CO2-equivalents) without yield penalties. The new nitrification inhibitor 2-(3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl) succinic acid isomeric mixture (DMPSA) systematically decreased N oxides emissions when applied with calcium ammonium nitrate or ammonium nitrate in irrigated maize (Zea mays L.). The 15N2O analysis revealed that the biochemical processes derived from ammonium (NH4+) oxidation were major contributors to N2O losses, compared to denitrification. Surprisingly, an effect of the inhibitor on this process was observed. The relative contribution of N synthetic fertilizer was higher than in a system including cover crops, in which the cereal residues with high C:N ratio can increase N2O losses from the synthetic fertilizer. The effectiveness of DMPSA was also observed in a rainfed wheat (Triticum aestivum L.) crop, but only with urea, which led to higher emissions than calcium ammonium nitrate. The laboratory experiment demonstrated that the mineralization of two widespread nitrification inhibitors did not seem to have major influence on their inhibition efficacy, which was clearly influenced by soil and temperature. The use of urease inhibitors (alone or with the nitrification inhibitor DMPSA) significantly mitigated N oxides emissions under rainfed and irrigated conditions, but generally leading to lower N oxides mitigation efficacy than that of DMPSA. Drip-fertigation is considered an efficient strategy for water and N application during crop production. Its use in maize decreased N oxides emissions (in a similar or even higher proportion as DMPSA) without affecting grain yield and increasing aboveground biomass production. The irrigation frequency (affecting soil moisture) and mineral N spatial distribution were the key drivers explaining lower N2O fluxes under drip irrigation, in comparison to those in sprinkler. In the rainfed wheat crop, the management of N fertilization timing through splitting dressing application also decreased N oxide fluxes, but in a lower proportion than DMPSA. In rainfed Mediterranean areas, the adoption of Conservation Agriculture practices (i.e. no tillage and crop rotation including legumes) and the substitution of urea by calcium ammonium nitrate are compatible strategies that should be implemented to reduce GHG emissions without affecting yields, offering further potential advantages concerning soil quality (as indicated in previous studies), the reduction of costs from pesticides/fertilizers or increments in N use efficiency or grain protein. With regards to irrigated maize, the combination of cover crops, integrated soil fertility management and fertigation can be recommended to reduce the yield-scaled GHG emissions without affecting grain productivities. The use of urease and nitrification inhibitors during the cash crop phase should be considered also as a good alternative. The strategies evaluated and the reported low area-scaled (0.2-2.0 kg N ha-1) and yield-scaled (0.6-5.5 g N2O-N kg N-1) emissions throughout this Thesis may contribute the adoption of appropriate mitigation practices and specific N oxides emission factors for each agro-ecosystem in Mediterranean regions.

Proyectos asociados

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Gobierno de EspañaAGL2012-37815-C05-01Sin especificarSin especificarSin especificar

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ID de Registro: 47329
Identificador DC: http://oa.upm.es/47329/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47329
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47329
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 01 Sep 2017 10:55
Ultima Modificación: 01 Mar 2018 23:30
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