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

Téllez del Río, Ángela (2017). Greenhouse gas emissions in conservation and conventional agriculture systems under rainfed mediterranean agro-ecosystem. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48103.

Descripción

Título: Greenhouse gas emissions in conservation and conventional agriculture systems under rainfed mediterranean agro-ecosystem
Autor/es:
  • Téllez del Río, Ángela
Director/es:
  • Vallejo García, Antonio
  • Rees, Bob
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

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.

Proyectos asociados

TipoCódigoAcrónimoResponsableTítulo
Comunidad de MadridS2009/AGR-1630AgrisostAntonio VallejoPrograma Grupos de Excelencia

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ID de Registro: 48103
Identificador DC: http://oa.upm.es/48103/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48103
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48103
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 16 Oct 2017 10:50
Ultima Modificación: 11 Abr 2018 22:30
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