Effect of no-tillage and liming practices on soil microbial parameters in degraded acid soils of SW Spain

Vázquez Garcia, Eduardo (2019). Effect of no-tillage and liming practices on soil microbial parameters in degraded acid soils of SW Spain. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57169.

Description

Title: Effect of no-tillage and liming practices on soil microbial parameters in degraded acid soils of SW Spain
Author/s:
  • Vázquez Garcia, Eduardo
Contributor/s:
  • Espejo Serrano, Rafael
  • Benito Capa, Marta
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Producción Agraria
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La pérdida de carbono orgánico del suelo (COS) y la acidificación de los suelos a causa de prácticas agronómicas insostenibles son dos de los mayores problemas a los que se enfrenta la agricultura a nivel global, afectando la seguridad alimentaria y la calidad ambiental. Recientemente, la adopción de técnicas más amigables con el medio ambiente, y en particular la agricultura de conservación, han sido identificadas como prácticas adecuadas para restaurar la fertilidad de suelos degradados. En el caso de suelos ácidos degradados, la combinación de no-laboreo (NL) con la aplicación de caliza en superficie ha demostrado ser capaz de restaurar el contenido de COS, mejorar las propiedades físicas y la relación suelo-agua, aliviar la toxicidad por Al3+ e incrementar los rendimientos de los cultivos. Sin embargo, existen aspectos importantes de la aplicación combinada de NT y aplicación superficial de caliza que no han sido todavía evaluados, por lo que esta tesis aspira a llenar esas lagunas de conocimiento y a identificar los efectos interactivos del NL y la aplicación de caliza en la actividad microbiana del suelo y el ciclo del carbono (C) y nitrógeno (N) con especial énfasis en las particulares condiciones que suponen la estacionalidad del clima Mediterráneo. Una revisión literaria exhaustiva previa al inicio de la tesis identificó seis lagunas de conocimiento, la cuales se resumen en: (i) propiedades biológicas del suelo y su evolución durante un año bajo condiciones de clima Mediterráneo, (ii) el impacto del NL y las enmiendas calizas durante el periodo de barbecho estival, (iii) el subsiguiente humedecimiento del suelo, (iv) el efecto combinado de ambas prácticas en la mineralización de C y N, (v) la actividad de las proteasas y la disponibilidad de N en el suelo, y (vi) en la interacción simbiótica con los hongos micorrícicos arbusculares (HMA) y la toma de nutrientes por los cultivos. Para solventar esos temas pobremente estudiados, seis experimentos específicos fueron diseñados y llevados a cabo en un campo experimental de larga duración situado en la Raña de Cañamero, Cáceres (Sudoeste España). El campo de experimentación de Cañamero se estableció en 2005 y el NL, como alternativa al laboreo tradicional, y la enmienda caliza se combinaron en un diseño factorial. Una mezcla de avena (Avena sativa L.) y veza (Vicia sativa L.) se cultivó cada temporada bajo condiciones de secano. El primer experimento trató de evaluar la actividad enzimática y la biomasa microbiana en cuatro periodos de muestreo durante el mismo año (enero, abril, julio y octubre) con el propósito de evaluar la interacción entre los tratamientos y la estacionalidad. Los resultados mostraron un incremento general de la actividad enzimática y la biomasa microbiana en la parte superior del suelo en los tratamientos de NL, lo cual, se relacionó con el incremento del COS y la disminución de las condiciones de sequía extrema durante los meses de déficit hídrico. Sin embargo, la enmienda caliza afectó ligeramente las actividades enzimáticas y redujo el C de la biomasa microbiana e incremento el N de la misma, lo cual sugiere un cambio en las comunidades microbianas. El alivio de las condiciones de sequía en NL probablemente causó el mayor mantenimiento de la biomasa microbiana y las actividades enzimáticas durante el periodo de verano, y, por lo tanto, incrementó la resiliencia microbiológica del suelo al estrés hídrico. Un segundo experimento aspiró a escudriñar el impacto del NL y la enmienda caliza en las tasas brutas de transformaciones de N durante el periodo de barbecho usando la técnica de dilución isotópica del 15N. La enmienda caliza incremento tanto la mineralización de N con la nitrificación bruta, mientras que el laboreo tradicional incrementó la inmovilización de N. El laboreo no afectó la nitrificación bruta pero el efecto de la enmienda en la mineralización bruta de N se incrementó al combinarse con el NL. A lo largo del periodo de barbecho estival, la mineralización, la nitrificación y la inmovilización microbiana decrecieron y el amonio se acumuló en suelo, probablemente como consecuencia de un desacople entre su producción y su consumo . El incremento de la mineralización de N y la nitrificación bruta causada por la enmienda caliza podría incrementar el riesgo de pérdidas de N, bien vía lixiviación, o bien mediante emisiones gaseosas tras el rehumedecimiento otoñal, especialmente en el caso de su combinación con NL. El tercer experimento se enfocó en estudiar de los efectos de ambas prácticas agronómicas en las emisiones de N2O tras el rehumedecimiento del suelo tras el barbecho estival y el rol en el mismo de los microorganismo del suelo. Muestras de suelo del campo experimental fueron rehumedecidas en laboratorio bajo condiciones controladas y los flujos suelo-atmósfera de N2O fueron determinado de forma periódica. La enmienda caliza redujo las emisiones acumuladas de N2O en más de un 60% respecto a los suelos sin enmendar tras el rehumedecimiento del suelo. Estos resultados muestran la utilidad de la enmienda caliza para mitigar las emisiones de N2O tras lluvias veraniegas en áreas Mediterráneas. Así mismo, se encontró un gran efecto de la enmienda caliza en el tamaño, estructura y transcripción de poblaciones microbianas implicadas en el ciclo del N y las emisiones de N2O. La mayor tasa de trascripción de los microorganismos portadores de nirK y la ausencia de transcripción en los nitrificantes durante el pico de emisiones de N2O sugiere que el N2O fue más bien derivado del proceso de denitrificación que del proceso de nitrificación. Además, la fuerte estimulación de la transcripción de nirK provocada por la enmienda caliza indica que el mecanismo por el cual la enmienda reduce las emisiones de N2O está relacionado con cambios en el proceso de denitrificación. El cuarto experimento partió con la premisa de entender los efectos interactivos en el ciclo del C y el N y su efecto combinado en indicadores microbiológicos usando un Modelo de Ecuación Estructural (MEE). El MEE reveló que la mineralización de C se vio solamente afectada por la práctica de labranza, mientras que la mineralización neta de N se incrementó por el NL y la enmienda caliza. La ausencia de efectos relevantes de la enmienda en la mineralización de N sugiere un desacople entre los procesos de mineralización de C y N con implicaciones potenciales en la pérdida de N. Además, el MEE reveló que el impacto del tipo de laboreo en la mineralización de C y N fue interpuesto a través de cambios en la biomasa microbiana, lo cual, pone de manifiesto la importancia de la inclusión de parámetros microbiológicos en los estudios de ciclos de nutrientes. El quinto experimento fue diseñado con la pretensión de entender el efecto del tipo de práctica de labranza y de la enmienda caliza en la depolimerización de los compuestos orgánicos proteicos, un paso fundamente en el ciclo del N en los agrosistemas. La actividad de la proteasa caseína (una enzima que degrada compuestos proteicos de alto peso molecular) y la proteasa N-α-benzoyl-L-argininamida (BAA) (encargada de los compuestos de bajo peso molecular) se determinó a tres diferentes profundidades en el suelo. Se observó en los tratamientos enmendados una mayor proteasa caseína y una menor BAA proteasa. Este desequilibrio en la actividad enzimática, unido a una reducción del C extraíble y C de la biomasa microbiana en los tratamientos enmendados sugiere una reducción de la inmovilización del N mineral por parte de la biomasa microbiana. Esta situación puede suponer una acumulación de productos metabólicos intermedios (tales como monómeros o aminoácidos) y por tanto, inducir una reducción de las pérdidas de N mineral y/o cambios en las preferencias adquisitivas por las plantas El sexto y último experimento analizó el impacto del NL y la enmienda caliza en la micorrización de las plantas y los efectos en el crecimiento de las mismas y su contenido en N y P a lo largo de tres estadios de crecimiento en avena y veza. La biomasa de avena y su contenido en N se vieron incrementados por el NL y la enmienda caliza, mientras que la biomasa de veza y su contenido en N sólo se vieron afectados por la enmienda a lo largo de toda la campaña. Además, la colonización por HMA de ambos cultivos fue mayor tanto en los tratamientos de NL como en los enmendados, más allá del relativamente alto contenido de fósforo disponible en todos los tratamientos. El alivio de la acidez del suelo y la mejora de propiedades del suelo a causa del NL previamente descritas, unido a la mayor micorrización de las plantas sugiere que, bajo condiciones Mediterráneas, la combinación de esas dos prácticas agronómicas comunes podría incrementar los rendimientos de ambos cultivos e incrementar la eficiencia en el uso de fertilizantes en suelos ácidos. En conclusión, esta tesis muestra que la combinación de NL y las enmiendas calizas es una práctica sostenible para restaurar suelos ácidos degradados mejorando la actividad microbiológica del suelo y estimulando el ciclo del C y el N en suelos. Además, la tesis analizó el impacto de ambas prácticas agronómicas durante el periodo de barbecho estival característico del clima Mediterráneo, el cual es crítico en relación a las pérdidas de N. Los resultados obtenidos demuestran la utilidad de las enmiendas calizas para mitigar las emisiones de N2O tras las lluvias de verano a la vez que incrementar la toma de N por los cultivos, lo cual sugiere una reducción de los impactos ambientales de la agricultura. Esta tesis podría contribuir a la adopción de prácticas agrícolas más sostenibles en suelos ácidos bajo condiciones mediterráneas, así como a identificar y entender sus posibles impactos ambientales. ----------ABSTRACT---------- Loss of soil organic carbon (SOC) and soil acidification as a result of unsustainable agronomic practices are two of the main concerns of the present agriculture at global scale, affecting food security and environmental quality. Recently, adoption of more environmental-friendly techniques, and conservation agriculture in particular, has been identified as a suitable practice for restoring the fertility of degraded soils. In the case of acid degrades soils, the combination of no-tillage (NT) with surface lime application has been shown to restore the SOC pools, improve soil physical properties and soil-water relationships, alleviate the acidity and Al3+ toxicity, and increase crop yields. Nevertheless, as several important aspects of the combined application of NT with surface liming has not been addressed by the previous research, this thesis aims at filling these knowledge gaps and at identifying the interactive effects of NT and liming on soil microbial activity and carbon (C) and nitrogen (N) cycling with a special emphasis on the seasonality of the Mediterranean climate. An exhaustive literature review prior to this thesis identified six gaps of knowledge, which were summarized in: (i) soil biological properties and their evolution during the year under Mediterranean climate, (ii) the impact of NT and liming on N transformation during the summer fallow period and (iii) the subsequent rewetting event, (iv) the combined effect of both practices on C and N mineralization and (v) soil protease activity and N availability, and (vi) on the plant symbiotic interactions with arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) and nutrient uptake. To address these under-investigated topics, specific experiments were designed and performed in the long-term experimental field located in the Cañamero raña in Cáceres (SW Spain). The Cañamero experimental site/field was established in 2005 and NT, as an alternative to traditional tillage (TT), and liming were combined in a full factorial design. A mixture of oat (Avena sativa L.) and vetch (Vicia sativa L.) was cropped every season for forage under rainfed conditions. The first experiment evaluated the soil enzymatic activity and microbial biomass in four different sampling times during the same year (January, April, July, October) aiming to evaluate the interaction between the treatments and the Mediterranean seasonality. The results showed a general increase of soil microbial biomass and enzymatic activity in the topsoil of NT treatments which was related to the increase of SOC and the amelioration of the extreme drought during several water-limited months. However, liming slightly affected soil enzymatic activities, decreased the microbial biomass C and increased microbial biomass N, which suggests as a shift in the microbial communities. The amelioration of drought under NT probably caused the maintenance of higher microbial biomass and enzymatic activity during the summer period and, thus, increased soil microbial resilance to drought stress. A second experiment aimed at addressing the impact of NT and liming on the gross N transformation rates during the summer fallow period using 15N pool dilution technique. Liming increased both gross N mineralization and nitrification while traditional tillage increased gross N immobilization. Tillage did not affect gross nitrification but the effect of liming on gross N mineralization was enhanced in NT plots. During the summer fallow, mineralization, nitrification and microbial immobilization decreased and ammonium was accumulated, probably as a consequence of the decoupling between production and consumption rates of ammonium. The increase of gross N mineralization and nitrification caused by liming enhances the risk of N losses via nitrate leaching and gaseous losses after soil rewetting in autumn, especially when combined with NT. The third experiment focused on the evaluation of the effects of both agronomic practices on the N2O emissions after soil rewetting at the end of the summer fallow, and the interplay of soil microbes. Soil samples from the experimental field were rewetted in laboratory under controlled conditions and the soil-atmosphere N2O fluxes were determined periodically. Liming application reduced the cumulative N2O emission by more than 60% respect to the unamended soil after soil re-wetting. These findings show the usefulness of liming to mitigate the N2O emission after the summer rains in Mediterranean areas. Further, I found high impact of liming on the size, structure and transcription of selected microbial populations involved the N cycle and N2O emissions. The high transcription rate of nirK-bearing microbes and the absence of nitrifier transcription during the N2O peak suggest that the N2O was originated by denitrification rather than by nitrification. In addition, the strong stimulation of nirK transcription by liming indicates that the mechanism by which liming suppress the N2O emission was related with changes in the denitrification process. The fourth experiment aimed to understand the interactive effects on C and N cycling and their combined effect on microbial indicators using a Structural Equation Model (SEM). The SEM revealed that C mineralization was only affected by tillage practices while net N mineralization was increased by NT and liming amendment. The absence of relevant effects of amendment on C mineralization suggests a possible decoupling between the C and N mineralization processes with potential implications for N losses. In addition, SEM revealed that the impact of tillage practice on C and N mineralization was mediated by changes in the microbial biomass, which highlights the importance of the inclusions of microbial parameters in the nutrient cycling studies as affected by agronomic practices. The fifth experiment was designed to understand the effect of tillage practice and liming on depolymerization of organic proteinaceous compounds, a critical step of N cycling in agroecosystems. The activity of soil casein protease (an enzyme degrading high-molecular weight proteinaceous compounds), N-α-benzoyl-L-argininamide protease (BAA) (targeting low-molecular weight compounds) was determined in three soil layers. Higher casein protease and a lower BAA protease activity was observed in limed plots This imbalance in enzymatic activity, together with an observed reduced extractable organic C and microbial biomass C in limed plots suggests a reduced microbial immobilization of mineral N. Such situation may result in an accumulation of intermediate metabolic products (i.e. monomers and amino acids), therefore inducing reduced mineral N losses and/or changes in N acquisition preferences by plants. The sixth and last experiment analyzed the impact of NT and liming on plant AMF mycorrhization and the effects on plant growth and N and P contents during three growth stages of oat and vetch. The oat plant biomass and N content were increased by NT and liming while vetch biomass and N content was increased only by liming throughout the whole growing season. In addition, AMF root colonization of both crops was higher under NT and limed plots, despite of the relatively high content of available P in all treatments. The alleviation of soil acidity and enhancement of soil properties related with NT previously described, linked with the higher plant mycorrhization, suggests that, under Mediterranean conditions, the combination of these two common agronomic practices may increase both yields and nutrient use efficiency in acid soils. In conclusion, this thesis shows that the combination of NT and liming is a sustainable practice to restore acid degraded soils, enhancing the microbial activity and stimulating soil C and N cycling. In addition, the thesis revealed the impact of both agronomic practices in the summer fallow period characteristic of the Mediterranean climate which is critical for N losses. The obtained results show the usefulness of liming to reduce the N2O emission after the summer rains both higher N uptake by crops, which suggests a mitigation of the negative environmental effects of agriculture. This thesis may contribute to promote the adoption of more suitainable agronomic practices in acid soils under Mediterranean conditions as well as to identifying and understanding of their potential environmental impacts.

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Item ID: 57169
DC Identifier: http://oa.upm.es/57169/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57169
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57169
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 20 Nov 2019 06:25
Last Modified: 20 May 2020 22:30
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