Impacto del manejo del suelo y del sistema de riego y su gestión sobre las emisiones de gases de efecto invernadero bajo condiciones mediterráneas

Abstract

El reg i el maneig del sòl són pràctiques agrícoles que poden afectar als processos de producció, consum, transport i emissió de gasos d’efecte hivernacle (GEH) del sòl. Per tant, resulta necessari avaluar i documentar l’impacte d’aquestes pràctiques sobre les emissions d’aquests GEH. L’objectiu general d’aquesta Tesi doctoral ha sigut el de quantificar l’efecte del sistema de maneig del sòl i el sistema de reg i la seva gestió sobre la producció, transport i emissió de GEH del sòl a l’atmosfera en sistemes de monocultiu de panís sota condicions mediterrànies. Per assolir aquest objectiu, entre els anys 2015 i 2017 es van establir 2 assajos de campo a la finca experimental de la Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC) ubicada a la depressió central de la vall del riu Ebre. Al primer assaig experimental, es va avaluar l’impacte del sistema de reg (aspersió vs. inundació) sobre la producció i transport de diòxid de carboni (CO2), metà (CH4) i òxid nitrós (N2O) a través del perfil del sòl, així com l’efecte del sistema de reg (aspersió vs. inundació) i del sistema de maneig del sòl (conreu convencional vs. sembra directa) del sòl juntament amb la gestió de les restes de collita (mantingudes en superfície vs. retirades) i la interacció entre ambdues pràctiques agrícoles sobre les emissions de CO2, CH4 i N2O del sòl a l’atmosfera. Al segon assaig de camp es va estudiar l’efecte del moment del reg (dia vs. nit) i de la freqüència de reg (alta vs. baixa) sobre les emissions de CO2, CH4 i N2O del sòl a l’atmosfera en un sistema de reg per aspersió. El sistema de reg per aspersió va mostrar una major concentració i emissió de CO2 del sòl enfront al sistema de reg per inundació, presentant a la vegada una reducció del 50 i del 42% de la concentració i la emissió de N2O del sòl, respectivament. A més, el sistema de reg per aspersió va reduir en un 51% les emissions de N2O per unitat de rendiment. Així mateix, la aplicació nocturna de reg per aspersió va donar a lloc a una reducció de les emissions de CO2 del sòl, i a un augment de les emissions de N2O enfront a l’aplicació diürna. No obstant, no es van observar diferències entre moments d’aplicació del reg per aspersió quan les emissions de N2O es van expressar per unitat de rendiment degut a l’increment dels rendiments sota el moment d’aplicació nocturn. En ambdós sistemes de reg i al llarg de tot el perfil del sòl, la aplicació de compostos fertilitzants NPK va incrementar la concentració de CH4. No obstant, les emissions de CH4 del sòl a l’atmosfera no es van veure afectades pel sistema de reg ni el seu maneig, observant-se únicament diferències de CH4 al perfil del sòl entre sistemes de reg a 0,40 m de profunditat. Els sistemes de sembra directa van reduir en un 30% les emissions de CO2 del sòl a la atmosfera respecte als sistemes de conreu convencional, sense donar a lloc un increment de les emissions de N2O. A més, tot i que tots els sistemes de maneig del sòl van mostrar un consum net de CH4, els sistemes de sembra directa, especialment mantenint les restes de collita, van afavorir un major consum de CH4 enfront als sistemes de conreu convencional. Els resultats d’aquesta Tesi doctoral han demostrat que els sistema de reg per aspersió, i concretament aplicat durant la nit, juntament amb el sistema de sembra directa mantenint el rostoll al camp són estratègies viables per a la reducció de les emissions de gasos d’efecte hivernacle del sòl sense penalització sobre els rendiments de cultiu sota condicions mediterrànies.

El riego y el manejo del suelo son prácticas agrícolas que pueden afectar a los procesos de producción, consumo, transporte y emisión de gases de efecto invernadero (GEI) del suelo. Por tanto, resulta necesario evaluar y documentar el impacto de estas prácticas sobre las emisiones de estos GEI. El objetivo general de esta Tesis doctoral ha sido cuantificar el efecto del sistema de manejo del suelo y el sistema de riego y su gestión sobre la producción, transporte y emisión de GEI del suelo a la atmósfera en sistemas de monocultivo de maíz bajo condiciones mediterráneas. Para alcanzar este objetivo, entre los años 2015 y 2017 se establecieron 2 ensayos de campo en la finca experimental de la Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC) ubicada en la depresión central del valle del río Ebro. En el primer ensayo experimental, se evaluó el impacto del sistema de riego (aspersión vs. inundación) en la producción y transporte de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O) a través del perfil del suelo, así como el efecto del sistema de riego (aspersión vs. inundación) y del sistema de manejo (laboreo convencional vs siembra directa) del suelo junto con la gestión de los restos de cultivo (mantener en la superficie vs. retirarlo) y la interacción entre amabas prácticas agrícolas sobre las emisiones de CO2, CH4 y N2O del suelo a la atmósfera. En el segundo ensayo de campo se estudió el efecto del momento de riego (día vs. noche) y de la frecuencia de riego (alta vs. baja) sobre las emisiones de CO2, CH4 y N2O del suelo a la atmósfera en sistema de riego por aspersión. El sistema de riego por aspersión mostró una mayor concentración y emisión de CO2 del suelo frente al sistema de riego por inundación, presentando a su vez una reducción del 50 y del 42% de la concentración y la emisión de N2O del suelo, respectivamente. Además, el sistema de riego por aspersión redujo en un 51% las emisiones de N2O por unidad de rendimiento. Asimismo, la aplicación nocturna del riego por aspersión resultó en una reducción de las emisiones de CO2 del suelo, y en un aumento de las emisiones de N2O frente al momento de aplicación diurno. Sin embargo, no se observaron diferencias entre momentos de aplicación del riego por aspersión cuando las emisiones de N2O se expresaron por unidad de rendimiento debido al incremento en los rendimientos bajo el momento de aplicación nocturno. En ambos sistemas de riego y a lo largo de todo el perfil del suelo, la aplicación de compuestos fertilizantes NPK incrementó la concentración de CH4. Sin embargo, las emisiones de CH4 del suelo a la atmósfera no se vieron afectadas por el sistema de riego ni su manejo, observándose únicamente diferencias en la concentración de CH4 en el perfil del suelo entre sistemas de riego a 0,40 m de profundidad. Los sistemas de siembra directa redujeron en un 30% las emisiones de CO2 del suelo a la atmosfera respecto de los sistemas de laboreo convencional, sin dar lugar a un incremento de las emisiones de N2O. Además, pese a que todos los sistemas de manejo del suelo mostraron un consumo neto de CH4, los sistemas de siembra directa, especialmente manteniendo los restos de cultivo, favorecieron un mayor consumo de CH4 frente a los sistemas de laboreo convencional. Los resultados obtenidos en esta Tesis doctoral han demostrado que el sistema de riego por aspersión, y concretamente aplicado durante la noche, junto con el sistema de siembra directa manteniendo el rastrojo en el campo son estrategias viables para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero del suelo sin penalización sobre los rendimientos de cultivo bajo condiciones mediterráneas.

Irrigation and soil management are agricultural practices that can affect the soil production, consumption, transport and emission process of greenhouse gases (GHG). Therefore, it is necessary to assess the impact of these practices on the soil GHG emissions. The general aim of this PhD Thesis was to quantify the effect of the soil management system and the irrigation system and its management on the production, transport and emission of soil GHG emissions in maize (Zea mays L.) monoculture systems under Mediterranean conditions. To achieve this objective, between the years 2015 and 2017, two field trials were established in the experimental farm of the Aula Dei Experimental Station (EEAD-CSIC) located in the central depression of the Ebro river valley. In the first experimental trial, the impact of the irrigation system (sprinkler vs. flood) on the production and transport of carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) through the soil profile was assessed. Moreover, in the same field trail, the effect of the irrigation system (sprinkler vs. flood) and the soil management system (conventional tillage vs. no tillage), together with the management of the crop stover (maintaining on the surface vs. removing it) and the interaction between both agricultural practices on the soil CO2, CH4 and N2O emissions was investigate. In the second field trial, the effect of irrigation time (day vs. night) and the irrigation frequency (high vs. low) on the soil CO2, CH4 and N2O emissions under sprinkler irrigation was studied. Sprinkler irrigation system showed a higher soil CO2 concentration and emission compared with flood irrigation system, presenting at the same time a reduction of the 50 and 42% of soil N2O concentration and emission, respectively. In addition, the sprinkler irrigation system reduced by 51% N2O emissions per unit of yield. Likewise, nighttime sprinkler irrigation resulted in a reduction of soil CO2 emissions, but in an increase of N2O emissions compared with the daytime application. However, no differences were observed between sprinkler irrigation time when soil N2O emissions were expressed per unit of yield due to the increase in grain yields under nighttime irrigation. In both irrigation systems and along the entire soil profile, the application of NPK fertilizer compounds resulted in an increase of the soil CH4 concentration. However, soil CH4 emissions were not affected by the irrigation system or its management, showing only differences between irrigation systems in the soil in the soil profile concentration at 0.40 m deep. No tillage systems reduced soil CO2 emissions by 30% compared with conventional tillage systems without leading to an increase in soil N2O emissions. In addition, although all soil management systems showed a net CH4 consumption, no tillage systems, especially maintaining the crop stover, favored a higher consumption of CH4 compared to conventional tillage systems. The results obtained in this PhD Thesis have shown that the sprinkler irrigation system and specifically nighttime application together with the no-tillage system maintaining the crop stover in the field are feasible strategies to reduce soil greenhouse gas emissions without penalty on crop yields under Mediterranean conditions.