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

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.