Strategies to mitigate N2O emissions and improve crop quality. Effect of Zn-N co-fertilization and N-enhanced efficiency fertilizers on microbial communities

Montoya Novillo, Mónica (2020). Strategies to mitigate N2O emissions and improve crop quality. Effect of Zn-N co-fertilization and N-enhanced efficiency fertilizers on microbial communities. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.62571.

Description

Title: Strategies to mitigate N2O emissions and improve crop quality. Effect of Zn-N co-fertilization and N-enhanced efficiency fertilizers on microbial communities
Author/s:
  • Montoya Novillo, Mónica
Contributor/s:
  • Vallejo García, Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
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 sostenible tiene como objetivo aumentar la producción de alimentos, en un contexto de crecimiento de la población mundial, sin comprometer la calidad de los cultivos ni los rendimientos además de producir una reducción de la contaminación medioambiental. La fertilización nitrogenada es clave en el aumento de rendimientos, pero también afecta de manera importante al medioambiente, ya que parte del nitrógeno (N) puede perderse por el agua o el aire. Por ejemplo, una fracción del fertilizante es liberado a la atmósfera en forma de óxido nitroso (N2O), debido a la actividad producida por las comunidades microbianas involucradas en el ciclo del N. Es necesario, por lo tanto, implementar nuevas prácticas que contribuyan a mitigar emisiones de N2O, a mantener o incrementar los rendimientos, así como a aumentar la calidad nutricional para el consumo. Para abordar este tema, en esta tesis se han evaluado dos estrategias diferentes. La primera estrategia ha sido la co-fertilización de Zinc (Zn)-N, a través del input simultáneo de una fuente de este micronutriente y N. La hipótesis fue que la co fertilización podría reducir el impacto de contaminación potencial y aumentar la calidad del cultivo, especialmente la biofortificación en Zn en los cultivos de trigo y maíz. De hecho, la mejora de la concentración de Zn en los cultivos de cereal ha sido considerado un reto global debido a las cruciales implicaciones que este micronutriente tiene sobre la salud y la seguridad alimentaria. La segunda estrategia ha sido la incorporación de los inhibidores de la ureasa y/o de la nitrificación a un fertilizante nitrogenado mineral (fertilizantes de N eficientemente mejorados), los cuales directamente o indirectamente afectarían a los procesos relacionados con el ciclo del N. La evaluación de ambas estrategias se ha focalizado en base a dos objetivos generales: 1) estudiar estrategias de mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y mejorar la calidad del cultivo a través del manejo de la co-fertilización Zn-N y de los fertilizantes de N eficientemente mejorados, en cultivos de regadío y secano en un área semi-árida, y 2) evaluar el efecto de estas estrategias sobre las poblaciones microbianas relacionadas con los procesos de nitrificación y desnitrificación, para un mejor entendimiento de su influencia sobre los flujos de N2O. Para su consecución, esta tesis ha sido estructurada en base a 4 experimentos de campo, cada uno con un objetivo específico. El Experimento 1 se llevó a cabo en un cultivo de trigo de invierno en secano con el objetivo de conseguir la biofortificación en Zn mediante un manejo adecuado de la fertilización Zn-N (debido a un efecto sinérgico entre ambos) usando fuentes orgánicas de Zn. En este ensayo de campo, en condiciones semi-áridas, se emplearon 4 fuentes de Zn (sulfato-Zn, lignosulfonato-Zn, amino ácidos-Zn y gluconato-Zn) y se aplicaron 3 dosis de N. Uno de los principales resultados obtenidos fue que el efecto combinado de la aplicación de complejos naturales de Zn junto con la dosis recomendada de N (es decir, 120 kg N ha-1) tendió a incrementar las concentraciones de Zn en grano (en un promedio del 14%), aunque este incremento fue significativamente mayor cuando se aplicó sulfato Zn (63%), debido a que la dosis de aplicación recomendada era mayor. Los fertilizantes naturales orgánicos de Zn produjeron los mayores rendimientos en grano, probablemente debido a una mejora en la toma de N. Los tratamientos que usaron fertilizantes naturales orgánicos de Zn dieron mejores eficiencias de utilización de Zn que el fertilizante basado en sulfato-Zn. El segundo experimento, también en un cultivo de trigo de invierno, pretendía evaluar el efecto de la fuente de Zn (sulfato-Zn, lignosulfonato-Zn, Zn con una mezcla de compuestos quelantes sintéticos DTPA-HEDTA-EDTA y ácidos húmicos/fúlvicos-Zn) y la dosis de aplicación de N (0, 120 y 180 kg N ha-1) sobre las emisiones de GEI y las poblaciones de nitrificantes y desnitrificantes. Los resultados indicaron que el quelato sintético de Zn reducía las pérdidas acumuladas de N2O en un 21.4% y los flujos de respiración en un 24.4%, con respecto al tratamiento sin aplicación de Zn. La quelación de co-factores metálicos (principalmente cobre, Cu) de las enzimas responsables de la nitrificación y desnitrificación en este tratamiento fue, probablemente, el mecanismo de reducción de las emisiones de N2O. Esto afectó por tanto a la abundancia de los genes amoA de bacteria, nirK, nirS y norB, así como del contenido de Cu extraíble. Inesperadamente, el quelato sintético de Zn aumentó en un 31.2% el número de copias del gen nosZ con respecto al tratamiento sin aplicación de Zn. El Zn aplicado junto con la mezcla de ácidos húmicos/fúlvicos aumentó significativamente la abundancia total de bacterias y de las comunidades nitrificantes y desnitrificantes, especialmente del gen norB, justificándose así las mayores emisiones de N2O. La dosis óptima de N fue 120 kg N ha-1, debido a la producción de menores perdidas de N2O escaladas al rendimiento. Basándonos en estos resultados, la aplicación de quelatos sintéticos de Zn puede ser una estrategia recomendada tanto de mitigación y adaptación, con el objetivo de reducir las emisiones de GEI escaladas al rendimiento, como de mejora de la biofortificación en Zn. Hasta la fecha, existe poca información disponible sobre el efecto de la co-fertilización de Zn-N sobre las emisiones de GEI y los procesos microbiológicos del suelo responsables de los flujos de N2O bajo condiciones de regadío. Es por ello que se realizó, un experimento de campo en un cultivo de maíz (Experimento 3) aplicando dos dosis de N (sin aplicación de N y 200 kg N ha-1 en forma de urea) y tres fuentes de Zn (sin aplicación de Zn, sulfato-Zn, Zn con una mezcla de compuestos quelantes sintéticos DTPA-HEDTA-EDTA). Los resultados mostraron que la co-fertilización de Zn-N aumentó las emisiones acumuladas de N2O, comprendidas entre 0.53 kg N2O-N ha-1 (para urea combinada con quelato de Zn) y 1.06 kg N2O-N ha-1 (para urea combinada con sulfato de Zn) con respecto al tratamiento de urea sin aplicación de Zn. La reducción significativa de la abundancia total del gen nosZ en comparación con la no aplicación de Zn, fue probablemente la razón del incremento de las emisiones de N2O. Sin embargo, más estudios son necesarios en este tipo de cultivos (en suelos deficientes en Zn) para optimizar la fuente y la dosis de Zn, al mismo tiempo que se evite un incremento de las emisiones de N2O. En el Experimento 4 se evaluaron tecnologías de fertilización basadas en fertilizantes de N eficientemente mejorados. Este experimento de campo se llevó a cabo en un cultivo de colza de secano (Brassica napus L. var. `PT256´) usando una única dosis de N (120 kg N ha-1) para todas las fuentes de N. Los diferentes tratamientos fertilizantes fueron: 1) Urea, 2) Urea + N-(n-butil) tiofosfórico triamida (NBPT), 3) Urea + NBPT + 2-(3,4 dimetil-1H-pirazol-1-il) succinato en mezcla isomérica (DMPSA), 4) Nitrato amónico cálcico (CAN), 5) CAN + DMPSA y 6) Control sin fertilización de N. Los resultados mostraron que las emisiones acumuladas de N2O para el tratamiento de U fueron significativamente mayores que aquellas para CAN. Los tratamientos basados en NBPT significativamente redujeron en un 71%, en promedio, las pérdidas de N2O con respecto a la U. Del mismo modo, las emisiones acumuladas de N2O significativamente disminuyeron (en un 57%) con el tratamiento CAN+DMPSA en comparación con CAN. Los tratamientos basados en inhibidores condujeron a una reducción significativa de los flujos totales de N2O después del pulso de rehumectación, con respecto a aquellos producidos por U o CAN. Respecto a los genes del ciclo del N, la abundancia de las comunidades de nitrificantes y desnitrificantes, especialmente AOB, significativamente disminuyeron con la aplicación de los inhibidores en comparación con los tratamientos U o CAN. Desde un punto de vista agronómico, CAN+DMPSA ofrece una ventaja potencial añadida en relación a la calidad del cultivo: un incremento del rendimiento en aceite. ----------ABSTRACT---------- Sustainable agriculture aims to increase food production, in the context of a growing worldwide population, without compromising crop quality and yield whilst reducing environmental pollution. Most agricultural practices rely on external nitrogen (N) inputs, however, this N can be lost (e.g., through the release of the nitrous oxide (N2O) gas to the atmosphere) due to the activity of microbial communities that are involved in the N-cycle. New practices, therefore, need to be implemented in order to mitigate these N2O emissions and maintain or increase yields as well as enhance crop quality. To address this issue, two different strategies have been assessed in this thesis. The first strategy is the interaction effect of Zinc (Zn)-N co-fertilization through simultaneous inputs of micronutrients and N that could reduce potential pollution impacts and increase crop quality, especially Zn biofortification, in wheat and maize crops. In fact, the enhancement of Zn concentration in cereal crops without compromising yield is also a global challenge with crucial health and food security implications. The second strategy is the incorporation of urease and nitrification inhibitors to mineral N fertilizer (N-enhanced efficiency fertilizers), which directly or indirectly affect processes involved in the N cycle. The assessment of both strategies is the focus of the two general objectives of this thesis: 1) to study strategies for mitigating greenhouse gas (GHG) emissions and improving crop quality through the management of Zn-N co-fertilization and N-enhanced efficiency fertilizers in irrigated and rainfed crops in a semiarid area, and 2) to assess the effect of these strategies on the microbial populations related to nitrification and denitrification processes to better understand their influence on N2O fluxes. Accordingly, this thesis is structured in four field experiments, each one with a specific objective. Experiment 1 was carried out with a rainfed winter wheat (Triticum aestivum L.) crop to produce Zn biofortification through the appropriate management of fertilization with both Zn and N (due to the synergistic effect between them) using natural organic sources of Zn. This field experiment used four Zn sources (Zn-sulphate, Zn-lignosulphonate, Zn aminoacids and Zn-gluconate) and three N application rates, under semi-arid conditions. The main results were that the combined effect of applying natural organic Zn complexes and the recommended N rate (i.e., 120 kg N ha-1) tended to increase, grain Zn concentrations (by an average of 14%), although this increase was significantly higher when Zn-sulphate was applied (63%) due to its higher recommended Zn application rate. Natural organic Zn fertilizers gave the highest grain yields, probably due to the enhancement of N uptake. The treatments that used natural organic Zn fertilizers had higher Zn utilization efficiencies compared with the Zn-sulphate fertilizer. A second field experiment was carried out in a winter wheat crop to evaluate the effect of Zn sources (Zn-sulphate, Zn-lignosulphonate, Zn with a mixture of synthetic chelating compounds DTPA-HEDTA-EDTA and Zn-humic/fulvic acids) and N rates (0, 120 and 180 kg N ha-1) on GHG emissions and the population of nitrifiers and denitrifiers. The results clearly indicate that the synthetic Zn chelate reduced cumulative N2O losses by 21.4% and respiration fluxes by 24.4% with respect to the treatment with no Zn application. The chelating of metal co-factors (mainly copper, Cu) of the enzymes involved in the nitrification and denitrification steps is the most likely mechanism for this reduction of N2O emissions since bacterial amoA, nirK, nirS and norB gene abundances, as well as the extractable Cu content, decreased in this treatment. Unexpectedly, the synthetic Zn chelate increased the copy number of nosZ by 31.2% with respect to the treatment with no Zn application. The Zn applied together with the humic/fulvic acids mixture significantly increased total bacterial abundance and nitrifier and denitrifier communities, especially the norB gene, thus leading to the highest N2O emissions. The optimum N rate was 120 kg N ha-1 since it gave in the lowest yield-scaled N2O losses and N surplus. Based on these results, the application of synthetic Zn chelates can be recommended as a win-win mitigation and adaptation strategy aimed at reducing yield scaled GHG emissions and the enhancement of Zn biofortification. Since little information is available on the effect of Zn-N co-fertilization on GHG emissions and soil microbial processes involved in N2O fluxes, under non-flooded irrigated conditions, a field experiment was carried out using a maize (Zea mays L) crop (Experiment 3). For this, two N rates (no N application and 200 kg N ha-1 as urea), and three Zn sources (no Zn application, Zn sulphate, and Zn applied with a mixture of chelating compounds DTPA-HEDTA-EDTA) were used. The main results were that the Zn-N co-fertilization increased cumulative N2O emissions, which ranged from 0.53 kg N2O-N ha-1 (for urea combined with Zn chelate) to 1.06 kg N2O-N ha-1 (for urea combined with Zn sulphate) with respect to urea with no Zn application. The significant reduction of the total abundances of the nosZ gene in comparison with the no Zn application was the most likely reason for the increased N2O emissions. More studies for irrigated crops under Zn deficient soils are needed to establish the optimal source and rate of Zn, whilst avoiding an increase in N2O emissions. Fertilizer technology based on N-enhanced efficiency fertilizers was evaluated in Experiment 4. The field experiment was carried out with a rainfed rape crop (Brassica napus L. var. `PT256´) using a N rate of 120 kg total N ha-1 for all N sources. The different fertilizer treatments were: 1) Urea, 2) Urea + N-(n-butyl) thiophosphorictriamide (NBPT), 3) Urea + NBPT + (3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl) succinic acid isomeric mixture (DMPSA), 4) Calcium Ammonium Nitrate (CAN), 5) CAN + DMPSA and 6) Control with no N fertilization. The results show that the cumulative N2O emissions for the U treatment were significantly higher than those of CAN. The NBPT-based treatments significantly reduced N2O losses by 71%, on average, with respect to U. Similarly, cumulative N2O emissions significantly decreased (by 57%) in the CAN+DMPSA treatment in comparison with CAN. The inhibitor-based treatments led to a significant reduction of total N2O fluxes following a rewetting pulse, with respect to those of U or CAN. With regards to the N-cycling genes, the abundances of nitrifier and denitrifier communities, especially AOB, significantly decreased with the application of inhibitors with respect to the U or CAN treatments. From an agronomic point of view, CAN+DMPSA offers a further potential advantage related to crop quality: an increase in the oil yield.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainAGL2015-64582-C3-3-RUnspecifiedUnspecifiedBeca predoctoral para formación de personal investigador (FPI) BES-2016-076712
Madrid Regional GovernmentS2013/ABI-2717AGRISOT-CMUnspecifiedSistemas agrarios sostenibles. Manejo de carbono, nitrógeno y agua para optimizar producción y calidad
Government of SpainAGL2015-68881-REDTRed SIRENAUnspecifiedApoyo económico a las estancias en el Departamento de Microbiología y Sistemas Simbióticos de las Estación Experimental del Zaidín, Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Granada

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Item ID: 62571
DC Identifier: http://oa.upm.es/62571/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:62571
DOI: 10.20868/UPM.thesis.62571
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 May 2020 07:01
Last Modified: 06 Nov 2020 23:30
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