Recuperación de la calidad de Ultisoles mediterráneos degradados, mediante la aplicación de enmiendas y formas alternativas de uso

Mariscal Sancho, Ignacio de Loyola (2008). Recuperación de la calidad de Ultisoles mediterráneos degradados, mediante la aplicación de enmiendas y formas alternativas de uso . Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación].


Title: Recuperación de la calidad de Ultisoles mediterráneos degradados, mediante la aplicación de enmiendas y formas alternativas de uso
  • Mariscal Sancho, Ignacio de Loyola
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2008
Freetext Keywords: Suelo degradado, Cambio de uso, secuestro de carbono, enmiendas caliza, enmienda yesífera, materia orgánica, recuperación de suelos.
Faculty: E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación]
Department: Edafología [hasta 2014]
UPM's Research Group: RECUPERATION OF MEDITERRANEAN ULTISOLES´S QUALITY THROUGH THE APPLICATION OF INORGANIC AMENDMENTS AND ALTERNATIVE FORMS OF USE ABSTRACT Ultisols (Soil Survey Staff, 1999) in the plateaux of the raña formations in central Extremadura testify to the presence of a former a subtropical climate with warm, wet summers; these conditions resulted in strong alteration and leaching, and in chemical properties including a very low pH that decreases with depth, highly deficient contents in exchange bases and P, and an exchange complex dominated by Al. In their current status, the soils are of little use for sustaining the typical crops of the Mediterranean climate under which the area is at present. The climactic vegetation of the area (viz. holm oaks and replacement bushes) was largely removed over the 1940s to 1950s in order to cultivate the clear surfaces. This was a result of the shortage of food in the years following the Spanish Civil War and the availability of phosphorites in the nearby deposits of Logrosán (Cáceres). Tillage practices induced mineralization of organic matter in the surface horizon, and facilitated the release of exchange bases and nutrients that enabled cultivation of extensive surfaces with grain crops (ca. 85% of the cropped surface), particularly rye (Secale cereale L.), for some time (10 --25 years). After those years of tillage, the already low productivity of the soils dropped to inviable levels, so farmers eventually abandoned their fields. A fraction of (5 -15%) of the flat surface of the plateaux was used to grow olive (Olea europaea L.). The trees, which were planted at distances of 9 m or even greater, are currently giving very low outputs (in the region of 5 -12 kg olives/tree), so the orchards are also being gradually abandoned. A minor fraction of the cleared surface was used to grow vine (Vitis vinifera L.). The abandoned fields soon started to develop rather poor pasture with very sparse legume patches that were soon invaded by Cistaceae (Cistus ladaniferus L., Halimium occimoides (Lam) Wilk) and heather (Calluna vulgaris L., Erica umbellate L., E. arborea L.). With time, a bush stratum took over that in some places was dominated by Cistus ladaniferus L., usually distant from evolved bushes richer in flowery species including madrone, heather and broom near cork oaks. Since the late 1990s the Department of Edaphology of the Polytechnic University of Madrid has worked towards improving the agronomic quality of these tilled soils ─many of which had previously been abandoned─ by using lime and/or gypsum amendments. In this work, firstly, we studied the degrading effects of deforestation and cropping on the quality of the soils. To this end, we used as reference soils from relict surfaces under old cork oaks that were never deforested as reference. The quality - degradation binomial was studied on a selected series of surfaces covered to a variable extent with pasture and bushes which had been abandoned at different times, as well as a surface under olive trees which has been under continuous tillage ever since its natural vegetation was removed. This study revealed that the principal source of degradation of the soil parameters related to soil quality, both physical (bulk density, surface infiltration, proportion of water-stable aggregates), chemical (base and Al contents of the exchange complex) and biological (CO2 release rate, β-glucosidase activity), was the dramatic reduction in organic matter (OM); so, the reference soil under cork oaks being classified in the Ultisol order, as belonging Humults sub-order (Soil Survey Staff, 1999) and all other soils, whether cropped or abandoned, as Xerults suborder . Some labile OM fractions (e.g. particulate organic matter (POM)) were more markedly affected by tillage than others. As a result of the foregoing, the degree of deterioration of soil quality was closely related to the length of the tillage period of the surfaces, which was longest for the soil under olive trees. Also, previously cropped soils which had been abandoned for years were found to exhibit very slow natural recovery by effect of their decreased Ca/Al ratio in the exchange complex relative to the reference soil; this increased Al toxicity, which hindered development of natural vegetation and hence recovery of the original OM contents. Because degradation of the soils resulted from the decrease in OM contents by effect of their cultivation, we considered not only the application of lime and gypsum amendments to counter the action of Al, but also the use of forms not favouring the destruction of soil OM but rather, if at all possible, raising its contents. The measures considered included using the soils to grow pasture for cattle and game feeding purposes. We conducted a study about the effect of applying lime (sugar foam waste) and gypsum amendments (phosphogypsum) in order to (a) improve the properties of the exchange complex and alleviate or suppress the problems arising from excessive acidity and Al3+ contents, and deficient Ca contents, on biomass production by natural pasture (NP) and an improved pasture (IP) obtained by introducing new species boosting nutritional quality; and (b) correct the dynamics of OM in general and its more labile fractions in particular, as well as quality- and OM-related parameters of physical, chemical and biological nature. Soils were monitored similarly, treated or untreated with amendments, but managed with forage crops (FC), in this case, the soils were managed under reduced tillage including no mouldboard ploughing. The above-described studies were conducted on the platform of the Cañamero raña (Cáceres, Spain), where an experimental field was established in 2002 in a previously cropped and later abandoned area representative of a sizable fraction of the raña surface. The experimen¬tal design consisted of split plots with four replications per crop type and treatment where crops or uses included natural pasture (NP), improved pasture (IP) and a forage crop (FC). The amendments applied were sugar foam waste (SF), phosphogypsum + sugar foam waste (PG + SF) and a control (C). A total of 36 plots (4 x 3 x 3) were thus studied. After 54 months, the soils under the three types of use exhibited substantially improved biomass production by effect of the treatments. This was a result of the increase in pH and Ca/Al ratio. The sugar foam waste proved effective to suppress Al toxicity in the topmost 25 cm of soil; on the other hand, the phosphogypsum + foam mixture was effective down to the Bt1 horizon. The treatments raised total OM contents under all use types (particularly in IP amended with sugar foam waste). The effect was specially marked on particulate OM, the contents in which peaked in the topmost soil layer (0- 5 cm). All treatments (especially sugar foam waste by virtue of its favourable effects on root mass) raised particulate OM contents in the 5-25 cm layer. Finally, we studied the influence of the phosphogypsum rate used on the Ap horizon on biomass production by wheat (Triticum aestivum L.) of the Jabato variety. At low rates (up to 5 t/ha), the amendment increased biomass production; by contrast, rates in the region of 10 t/ha resulted in anomalous plant growth and rates above 30 t/ha reduced biomass production dramatically with respect to the controls. This dynamics was a result of fluorine contained in this by-product attacking silicates in the soil and releasing Al into the soil solution, thereby raising the activity of Al3+, AlOH3+ and Al(OH)2+, which are the most phytotoxic aluminum species.
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Los Ultisoles (Soil Survey Staff, 1999) de las plataformas de las formaciones de raña de Extremadura central, guardan la impronta de climas del Plioceno medio-superior de características subtropicales, con veranos calidos y húmedos, por lo que presentan un grado de alteración y lavado muy intenso y unas propiedades químicas caracterizadas por un pH muy ácido que disminuye con la profundidad, contenidos en bases de cambio y fósforo muy deficientes y complejo de cambio dominado por el aluminio. Estas condiciones son muy desfavorables para los cultivos propios del ambiente mediterráneo al que están expuestas en la actualidad.
Su vegetación climácica, alcornocales o el matorral de sustitución se, eliminó en gran parte a lo largo de los años cuarenta / cincuenta del siglo XX para la puesta en cultivo de dichas superficies; a ello contribuyó la escasez de alimentos en los años posteriores a la Guerra Civil Española y la disponibilidad de fosforitas naturales procedentes del yacimiento cercano de Logrosán (Cáceres).
La mineralización de la materia orgánica del horizonte superficial inducida por el laboreo, liberó bases de cambio y nutrientes que mantuvieron la productividad de cultivos extensivos de cereales (aprox. 85 % de la superficie cultivada), principalmente centeno (Secale cereale, L), por un cierto tiempo (10 – 25 años). Tras estos años de laboreo, la productividad de por sí baja de estos suelos, cayó a unos niveles inviables por lo que el agricultor optó por el abandono de estos campos de labor. Un 5 -15 % de la superficie llana de estas plataformas se dedicó al olivar (Olea europea L) con un marco muy amplio de plantación y con unas producciones medias actualmente muy baja (5 – 12 kg aceituna por árbol) por lo que también tienden a ser abandonados. Una proporción minoritaria de la superficie desbrozada, se dedicó al cultivo de la vid (Vitis vinifera L).
Sobre estos campos de labor abandonados comenzó a instalarse un pastizal de muy mala calidad, con un muy escaso contenido en leguminosas, que rápidamente empieza a ser invadido por cistaceas (Cistus ladaniferus L.; Halimium occimoides (Lam) Wilk) y brezos (Calluna vulgaris L., Erica umbellata L., Erica arborea L.) hasta que se instala un matorral, en algunos casos predominado por el Cistus ladaníferus L., por lo general alejado de los matorrales evolucionados próximos al alcornocal, con mayor riqueza florística a base de madroños, brezos y jarales.
Desde finales de los años 90 del siglo XX, en el Dpto de Edafología de la UPM se viene trabajando sobre la mejora de las características agronómicas de estos suelos de labor en muchos casos abandonados, mediante la aplicación de enmiendas calizas y/ó yesíferas.
En el presente trabajo, en primer lugar, se ha abordado el estudio de la degradación de la calidad de los suelos de estas plataformas como consecuencia de su deforestación y puesta en cultivo. Como nivel de referencia de los suelos en lo que a su calidad se refiere, se cuenta con los suelos de superficies relictas que soportan viejos alcornoques, no afectadas por la deforestación. Para el estudio de “calidad versus degradación” se seleccionó una serie de superficies cubiertas por pastos y matorrales en distinta proporción, dejadas de cultivar en momentos diferentes, y una superficie con olivos, continuamente labrada desde que se eliminó la vegetación natural.
Este estudio ha puesto de manifiesto que la principal causa de la degradación de los parámetros relacionados con la calidad de estos suelos, ya sea físicos (densidad aparente, infiltración, porcentaje de agregados estables al agua), químicos (contenido en bases y Al en el complejo de cambio) y biológicos (tasa de emisión de CO2, actividad de la β-glucosidasa), reside en la drástica disminución del contenido en materia orgánica, de forma que bajo el alcornocal el suelo de referencia se clasificó, dentro del Orden de los Ultisoles, en suborden Humults (Soil Survey Staff, 1999) y el resto de las superficies con suelos cultivados o abandonados en el de los Xerults. Dentro de la materia orgánica, algunas fracciones lábiles como la materia orgánica particulada (MOP) se vieron más afectadas por laboreo.
Consecuencia de lo anterior, el grado de deterioro de la calidad en estos suelos esta estrechamente relacionado con el nº de años de laboreo a que han estado sometidas las superficies en las que se ubican; el grado de deterioro es máximo en el suelo bajo olivar. Por otra parte, se evidenció que en los suelos cultivados y abandonados hace años, el proceso de recuperación natural es muy lento. Entre las causas de esta lentitud está la disminución de la relación Ca/Al en el complejo de cambio respecto del suelo de referencia, que ha potenciado los problemas de toxicidad por Al con la consiguiente implicación sobre el desarrollo de la vegetación y por tanto, del proceso de recuperación en el contenido en materia orgánica.
Dado que la degradación de estos suelos ha sido una consecuencia de la disminución en el contenido en materia orgánica como resultado de su puesta en cultivo, para la recuperación de su calidad, además de la aplicación de enmiendas inorgánicas calizas y yesíferas que contrarresten la acción del Al, se ha considerado necesario estudiar la utilización de formas de uso que no solo no favorezcan la destrucción de la materia orgánica del suelo si no que a ser posible la incrementen su contenido. Entre ellas está el uso de estos suelos como soporte de pastos para su aprovechamiento ganadero y cinegético.
Como continuación al trabajo anterior, se ha abordado el estudio de la incidencia de la aplicación de las enmiendas calizas (espumas de azucarería) y yesíferas (fosfoyesos), necesarias para mejorar las características del complejo de cambio y disminuir o eliminar los problemas derivados del exceso de acidez, de toxicidad por Al3+ y de la carencia de Ca2+, sobre: a) la producción de biomasa del pasto natural (PN) de la zona y de un pasto mejorado (PM) mediante la introducción de nuevas especies que potencien su calidad nutricional, y b) la dinámica del contenido en materia orgánica en general y de sus fracciones más lábiles en particular, así como de los parámetros físicos, químicos y biológicos relacionados con su calidad. El seguimiento se ha hecho de forma análoga en el suelo, enmendado o no y cultivado con cultivos forrajeros; en este último caso, el suelo se ha manejado con un laboreo reducido en el que se ha eliminado la labor de vertedera.
Para el desarrollo de estos estudios, se seleccionó la plataforma de la raña de Cañamero (Cáceres) donde en el año 2002 se diseñó un campo de experimentación ubicado en una zona homogénea, previamente cultivada y abandonada, representativa de esta formación de raña. El diseño de experimentación consiste en parcelas divididas, con cuatro repeticiones por cultivo y tratamiento, donde los cultivos o forma de uso son el pasto natural (PN), el pasto mejorado (PM) y el cultivo forrajero (CF). Y los tratamientos son, la enmienda con espuma de azucarería (E), con fosfoyeso más espuma de azucarería (E+FY) y el testigo (T), sumando un total de 36 parcelas (4x3x3).
Transcurridos 54 meses (4,5 años) de la aplicación de las enmiendas, se ha puesto de manifiesto que los tratamientos han afectado muy positivamente a la producción de biomasa en las tres formas de uso. Este incremento de producción ha sido la consecuencia de la subida del pH, y del incremento de la relación Ca/Al. La espuma de azucarería se ha mostrado efectiva para la eliminación de la toxicidad por Al en los 25 cm más superficiales del suelo, mientras que la asociación espuma + fosfoyeso ha mostrado ejercer su efectividad hasta el horizonte Bt1. Los tratamientos han aumentado el contenido en materia orgánica total en todas las formas de uso, especialmente en el caso del PM y del tratamiento con espuma de azucarería. La mejora ha afectado preferentemente a las fracciones lábiles y en especial a la materia orgánica particulada (MOP) que alcanza sus valores máximos en la capa más superficial, entre 0-5 cm. En la capa 5-25 cm, los tratamientos, principalmente la espuma, también han incrementado la fracción MOP de forma preferente como consecuencia del incremento de la masa radicular.
Por último, se ha investigado la incidencia de la aplicación de varias dosis de fosfoyeso aplicada al horizonte Ap sobre la producción de biomasa del trigo (Triticum aestivum L, var. Jabato). El estudio ha puesto de manifiesto que el fosfoyeso aplicado en dosis bajas, de hasta 5 t/ha, incrementan la producción de biomasa, mientras que dosis, del orden de 10 t /ha provocan anomalias en el desarrollo de las plantas y del orden de 30 t/ha reducen drásticamente la producción de biomasa respecto de los controles. Dicha dinámica se debe al F contenido en este subproducto que ataca a los silicatos del suelo provocando la liberación de Al que pasa al sistema incrementando en la disolución del suelo la actividad de especies iónicas del Al tales como Al3+, AlOH2+, Al (OH)2+ que son las de mayor poder fitotóxico.

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Item ID: 1597
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.1597
Deposited by: Dr Ignacio Mariscal-Sancho
Deposited on: 17 May 2009
Last Modified: 10 Jun 2022 08:30
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