Synthetic inhibitors, a way towards the nitrogen-neutrality in mediterranean agroecosystems

Recio Huetos, Jaime (2019). Synthetic inhibitors, a way towards the nitrogen-neutrality in mediterranean agroecosystems. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.54892.

Description

Title: Synthetic inhibitors, a way towards the nitrogen-neutrality in mediterranean agroecosystems
Author/s:
  • Recio Huetos, Jaime
Contributor/s:
  • Álvarez Álvarez, José Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Química y Tecnología de Alimentos
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La agricultura del futuro se enfrenta al reto de satisfacer la demanda de alimentos de una población creciente, utilizando recursos cada vez más limitados y con la necesidad de reducir el impacto ambiental asociado a las emisiones de amoniaco (NH3), óxido nitroso (N2O) y óxido nítrico (NO). La tecnología de fertilizantes está promoviendo la utilización de inhibidores de la nitrificación (NIs) para reducir emisiones de óxidos de nitrógeno (N) en cultivos. Sin embargo, estos compuestos pueden aumentar las pérdidas de NH3 debido a la mayor persistencia de amonio en el suelo. En cualquier caso, hasta la fecha existe escasa información sobre el efecto en los flujos de estos gases del nuevo inhibidor de la nitrificación 2-(3,4-dimetil-1H-pirazol-1-yl) succinato en mezcla isomérica (DMPSA), tanto en cultivos de secano como de regadío. Por ello, esta tesis plantea como objetivo principal el explorar los diferentes aspectos que condicionan el uso de este nuevo inhibidor con el fin de mitigar perdidas de N reactivo al medio, particularmente NH3 y óxidos de N, manteniendo el rendimiento y calidad de cultivos. Para alcanzar este objetivo, se han realizado cuatro experimentos de campo en condiciones de Mediterráneo seco (Comunidad de Madrid, España). Los experimentos 1 y 2, realizados en maíz irrigado, evaluaron las emisiones de N2O y NH3 (utilizando la técnica micrometereológica IHF) durante el periodo de cultivo. Los resultados indicaron claramente que el uso de IN redujo las emisiones de N2O, sin aumentar significativamente las de NH3. A pesar de haber utilizado practicas recomendadas para mitigación de NH3, como es el riego tras la aplicación de los fertilizantes minerales o el enterrado de purín, el rango de pérdidas se mantuvo entre el 2,5 y 6 % del N aplicado. El empleo del doble inhibidor, que incluía DMPSA y el inhibidor de la ureasa (NBPT), redujo la volatilización por debajo del 1.7% del N aplicado. Un aspecto muy novedoso lo constituye las medidas de NH3 perdido desde la planta durante el periodo de senescencia del maíz. Las emisiones supusieron el 1.2% del N aplicado como fertilizante, por lo que deberá ser tenido en cuenta en la cuantificación de amoníaco volatilizado en el cultivo. En los experimentos 3 y 4 se evaluaron las emisiones de NO, NO2 y N2O (con o sin IN) en trigo (Experimento 3) y en maíz con riego por goteo (Experimento 4). Se colocaron cámaras automáticas por primera vez en cultivos de zonas mediterránea, obteniendo una alta resolución temporal de los flujos de NO y NO2. Para evaluar los datos almacenados para cada cámara, se desarrolló un software basado en lenguaje R (versión 3.2.1) (capítulo 4). Este software permite descargar los valores previos al “steady-state”, obtener el valor medio de “steady-state” por cámara y por ciclo, encontrar valores perdidos, calcular flujos y almacenar todos los valores correspondientes a un tratamiento en un matriz. En el cultivo de secano (trigo, Experimento 3), el DMPSA redujo la nitrificación y por tanto la producción de NO con respecto al tratamiento sin inhibidor, siendo muy novedoso el consumo neto de NO en el suelo (-61.72 g-N ha-1) observado para U+DMPSA en comparación con una producción neta (227.44 g-N ha-1) para U. La explicación de los mecanismos bióticos y abióticos implicados en la deposición de NO tras la aplicación del IN, supone un reto que necesita ser estudiado en el futuro. La adición de DMPSA redujo significativamente las emisiones de N2O un 71%. Para maíz con riego por goteo (Experimento 4), el DMPSA mitigó las emisiones totales de NO (0.21% del total de N) en comparación con U (0,81%), siendo además las emisiones de N2O similares a las del Control (sin fertilización). El doble inhibidor aumentó la eficiencia mitigadora para el NO con respecto al IN solo, pero no para la emisión de N2O. El IN no produjo un efecto significativo en el rendimiento o en la calidad del grano en los ensayos. ----------ABSTRACT---------- One of the biggest challenges for the agriculture of the future is to produce enough food for an increasing population from limited resources whilst at the same time reducing the environmental impacts produced by emissions of ammonia (NH3) and N-oxides (N2O and NO) from agrosystems. Fertilizer technology based on nitrification inhibitors (NIs) has been proposed as a useful technological approach to reduce N2O and NO emissions, although these inhibitors can lead to large NH3 losses due to observed increases in the pool of ammonium (N-NH4+) in soil. To date, scarce information exists about the effect on fluxes in either rainfed or irrigated soils of a new NI, the 2-(N-3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl) succinic acid isomeric mixture, DMPSA. The main objective of this thesis is to explore the different aspects that condition the use of this new NI, to mitigate losses of reactive N to the environment, particularly N-oxides and NH3, whilst maintaining yield and crop quality. In order to achieve this objective, four field experiments were set up under dry Mediterranean conditions (Comunidad de Madrid, Spain). Experiments 1 and 2 were performed on irrigated maize and evaluated N2O emissions and NH3 volatilization during the crop period using the micrometeorological integrated horizontal flux (IHF) technique. The results clearly indicate that the use of a NI reduced N2O emissions but did not significantly enhance NH3 volatilization. Using recommended agricultural practices to mitigate NH3 emissions, such as irrigation immediately after application of mineral N or the incorporation of pig slurry (PS), losses ranging from 2.5% to 6% of applied N were obtained. When using a double inhibitor, which included DMPSA and a urease inhibitor (NBPT), volatilization was reduced to below 1.7% of applied N. Losses of NH3 from plant during maize senescence were also measures, obtaining emission rates of 1.2% of initial N applied as fertilizer. This is considered a novel and important value under field conditions which should be taken into account when ammonia volatilization is quantified in crops. Experiments 3 and 4 evaluated NO, NO2 and N2O emissions in different fertilizer treatments (with or without NIs) in rainfed wheat (Experiment 3) and drip-irrigated maize (Experiment 4). A high temporal resolution of fluxes of NO and NO2, obtained by using automated chambers was implemented for the first time in agricultural fertilized systems in Mediterranean areas. A specific software based on language R (version 3.2.1.1) was developed (Chapter 4) to assess the data logged from each chamber. With this program it is possible to discard the values prior to the steady-state, to obtain the steady-state value per chamber and per cycle, to find missing values, to calculate the flux and to store all the values corresponding to each treatment in one matrix. In the rainfed crop (wheat) (Experiment 3), seventy-five days after fertilization, the effective reduction of nitrification by DMPSA had significantly decreased the production of NO with respect to the treatment without DMPSA, giving a net consumption of NO in the soil of -61.72 g-N ha-1 for urea and DMPSA (U+NI) treatment in comparison to a net production of 227.44 g-N ha-1 for urea treatment (U) alone, which is a novel result. The explanation of NO deposition after NI application, due to biotic and abiotic processes in the soil-plant system, supposes a challenge that needs to be studied in the future. The addition of DMPSA reduced emissions of NO by 71%. With drip-irrigated maize (Experiment 4), DMPSA also mitigated total NO emissions (0.04% of total N) in comparison with the U treatment (0.34%), obtaining similar total N2O emissions to the Control (without fertilizer). Use of a double inhibitor treatment (DMPSA and a urease inhibitor, NBPT) increased mitigation efficiency for NO but not for N2O emissions. Use of NI had no effect on yield or crop quality in these experiments.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainAGL2015-64582-C3-3-RUnspecifiedUnspecifiedEstrategia de mitigación de emisiones de gases basada en inhibidores de la nitrificación
Madrid Regional GovernmentS2013/ABI-2717AGRISOSTUnspecifiedSistemas agrarios sostenibles. Manejo de carbono, nitrógeno y agua para optimizar producción y calidad

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Item ID: 54892
DC Identifier: http://oa.upm.es/54892/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:54892
DOI: 10.20868/UPM.thesis.54892
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 22 May 2019 07:35
Last Modified: 22 Nov 2019 23:30
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