Mitigation strategies for nitrous oxide emissions based on fertilization management of irrigated crops in a mediterranean climate = Estrategias de mitigación de óxidos de nitrógeno basadas en el manejo de la fertilización en cultivos de regadío bajo clima mediterráneo
RESUMEN Los suelos agrícolas son importantes emisores a la atmósfera de óxido nitroso (N2O) y óxido nítrico (NO). Por ello, en los últimos años se está haciendo un importante esfuerzo investigador a nivel internacional para encontrar las condiciones y las prácticas agrícolas que favorezcan su reducción. A pesar de esto, son muy pocos los estudios realizados en suelos de zonas mediterráneas. En este trabajo se ha tratado de profundizar en los mecanismos que originan estas emisiones (nitrificación y desnitrificación), estudiando específicamente la influencia en estos procesos, y consecuentemente en las emisiones de N2O y NO, del tipo y composición del fertilizante (orgánico ó mineral), del C orgánico añadido o residual del propio suelo y de los sistemas de riego (por goteo o a surco). Para conseguirlo, se han llevado a cabo cuatro experimentos, 2 ensayos de campo y 2 ensayos de laboratorio. Cada uno de ellos se resume a continuación. En una primera fase, se estudiaron las emisiones de N2O, NO y las pérdidas totales por desnitrificación (zona 0-10 cm) en un suelo cultivado con patata (Solanum tuberosum) en regadío, utilizando fertilizantes orgánicos con diferentes fracciones de C soluble y amonio como: purín de cerdo incorporado en el suelo con y sin inhibidor de la nitrificación, la diciandiamida; fracción digerida del purín de cerdo; la fracción sólida del purín de cerdo compostada y un compost de residuos sólidos urbanos mezclados con urea. La dosis de N aplicada fue de 175 kg N ha-1 y las emisiones fueron comparadas con un fertilizante mineral, la urea y con un control, que no llevaban ningún tipo de fertilización nitrogenada. Las pérdidas totales por desnitrificación estuvieron altamente correlacionadas con las fracciones de carbohidratos solubles, el C y N soluble añadido. Tanto el N como el C orgánico soluble afectaron a la relación N2O / N2, observándose que los fertilizantes orgánicos diminuyeron esta relación en comparación con uno mineral ó con el propio Control. Las emisiones de N2O y NO producidas por nitrificación fueron mayores para la urea (7.31 kg N2O-N ha-1 y 0.24 kg NO-N ha-1) que para los fertilizantes orgánicos. La fracción digerida del purin mitigó en un 48% las emisiones totales de N2O y en un 33% las perdidas por desnitrificación en comparación a las perdidas presentadas por el purin sin tratar, pero no influyó en las emisiones de NO. El compost de purín comparado con el purin sin tratar, incrementó en un 40% las perdidas de N2O y en un 55% las de NO pero redujo en un 34% las perdidas por desnitrificación. El DCD fue efectivo bajo condiciones de nitrificación reduciendo las en un 83% y 77% las emisiones de N2O y NO respectivamente. Aunque MSW + U presentó una relación C:N mayor y produjo mayores perdidas por desnitrificación (33.3 kg N ha-1), las emisiones de N2O y NO fueron menores a las presentadas por U y CP. En este trabajo se ha demostrado que los fertilizantes orgánicos son una herramienta útil para mitigar las emisiones de contaminantes atmosféricos como el N2O y el NO en comparación con la urea en suelos irrigados de zonas mediterráneas. En una segunda fase se evaluó el efecto del carbono soluble en las emisiones de N2O y NO, aplicado junto con un fertilizante mineral (sulfato amónico) a diferentes dosis (200 y 50 kg N ha-1) en dos suelos diferentes; un suelo de cultivo de la zona centro de España (pH=7.5, 0.8 %C) y un suelo de pastoreo de Escocia (pH=5.5, 3.5 %C). El experimento fue realizado en condiciones de laboratorio y bajo diferentes contenidos de humedad (90% y 40% WFPS). A altas condiciones de humedad (90% WFPS), las emisiones totales de N2O aumentaron en 250.7 y 8.1 ng N2O-N g-1 en comparación con el Control a alta y baja dosis de N añadido respectivamente para el suelo Español y en 472.2 ng N2O-N g-1 para el suelo Escocés solo para alta dosis de N añadido. Las emisiones de NO solamente aumentaron significativamente en el suelo Español, cuando el N mineral fue aplicado en alta dosis con y sin glucosa y en ambas condiciones de humedad. La aplicación de glucosa junto con N mineral a alta dosis redujo las emisiones totales de N2O y NO en un 94% y un 55% en el suelo Español y en un 46% y un 66% en el suelo Escocés respectivamente. Estas diferencias pueden ser explicadas por las diferentes propiedades que presentaba cada tipo de suelo (pH, contenido en N mineral y C orgánico soluble). El mecanismo principal de producción de NO y N2O en el suelo con bajo contenido en materia orgánica (suelo Español) podría haber sido vía desnitrificación por nitrificadores, mientras que para el suelo rico en materia orgánica (suelo Escocés) habría sido debido a un equilibrio entre la nitrificación y la desnitrificación. Para completar las investigaciones realizadas en torno al papel que juega el C en los suelos agrícolas, la tercera fase de este trabajo consistió en un ensayo de laboratorio dónde se evaluó el efecto que el C residual de un suelo pobre en materia orgánica de una región con clima árido (Mali; África), tuvo en los pulsos de óxidos de N producidos tras el aporte de agua y agua con fertilizante. En el ensayo de laboratorio, llevado a cabo en Edimburgo, se utilizaron muestras de suelo procedentes de parcelas experimentales que habían sido fertilizadas 6 meses antes en Mali. Las parcelas recibieron en su momento una combinación de fertilizantes orgánicos y minerales: estiércol con y sin urea, urea sola y control (sin estiércol ni urea). Cuando los suelos secos se humedecieron con agua en el laboratorio, se produjeron pulsos de N2O y CO2 coincidiendo con un 68% WFPS. Se observaron también pulsos de NO, pero a una WFPS inferior a 60%. Posteriormente, y tras la adición de una disolución de urea simulando una fertilización ureica y una evento de lluvia, los suelos que habían sido fertilizados 6 meses antes con estiércol y urea presentaron menores emisiones totales de N2O (1.2 ng N2O-N g-1 suelo) y NO (43.9 ng NO-N g-1 suelo) comparadas con las parcelas que solamente recibieron urea (5.6 ng N2O-N g-1 suelo y 260.3 ng NO-N g-1 suelo). Estos datos sugieren que existe un efecto residual del estiércol que contribuye a reducir las emisiones de los contaminantes atmosféricos N2O y NO en suelos con poca material orgánica. Con el fin de desarrollar estrategias para paliar las emisiones de los óxidos de N desde suelos agrícolas, la cuarta fase de este trabajo ha intentado remarcar la importancia que tiene una buena elección del sistema de riego. Para ello se desarrolló un experimento de campo analizando las emisiones de N2O y NO durante un cultivo de melón bajo dos sistemas de riego diferentes, riego a surco y riego por goteo. Los tratamientos fueron tres; purín digerido a modo de fertilizante orgánico, sulfato amónico como mineral, ambos aplicados a una dosis de 175 kg N ha-1 y un control sin fertilización nitrogenada. En las parcelas fertilizadas, el riego por goteo redujo un 70% y 33% del total de N2O y NO emitido en el tratamiento mineral (sulfato amónico) con respecto al riego a surco, mientras que para el orgánico (purín digerido) fue solo un 28% en N2O. Esto fue probablemente debido a la menor cantidad de agua aplicada y a la diferente distribución de agua en el riego por goteo. Las zonas secas de las parcelas control en el riego por goteo emitieron cantidades similares de N2O que las zonas húmedas (0.45 kg N2O-N ha-1). Sin embargo, las parcelas fertilizadas emitieron cantidades superiores tanto en las áreas secas como en las húmedas (0.95 y 0.92 kg N2O-N ha-1 para sulfato amónico y purín digerido respectivamente en zonas secas y 0.70 y 1.35 kg N2O-N ha-1 para los mismos tratamientos en zonas húmedas). Los pulsos de los óxidos de N emitidos a través del riego por goteo fueron promovidos en parte por los frecuentes incrementos de volumen de suelo mojado después de las adiciones de agua. La nitrificación fue la fuente más importante de emisión de N2O en el riego por goteo, mientras que la desnitrificación lo fue en el riego a surco. La adición de NH4+ y el uso del riego por goteo aumentó la relación N2O/N2 de los gases producidos por la desnitrificación. Sin embargo, el fertilizante orgánico mostró de nuevo un efecto positivo sobre las emisiones disminuyendo la relación N2O/N2 con respecto al fertilizante mineral incluso en ambos sistemas de riego (0.24 y 1.60 para el purín digerido y sulfato amónico en riego a surco, y 0.75 y 2.50, para los mismos tratamientos en riego por goteo). La cantidad de C orgánico soluble en el suelo generalmente disminuyó con la adición de NH4+ aunque esa disminución fue un poco menor en el caso del fertilizante orgánico. Este trabajo ha demostrado que el riego por goteo, en comparación con el riego a surco, es un método que no solo se puede usar para reducir agua, sino también para mitigar emisiones de óxidos de N. Abstract Nowadays, there is a large interest to reduce atmospheric pollutants such as nitrous oxides from agricultural soils. However, little is known about it in soils from Mediterranean and tropical countries. This study investigates the influence of different factors on nitrous and nitric oxide (N2O and NO) emissions and therefore the processes which produce these gases, nitrification and denitrification. The factors studied were: type and composition of fertilizer (organic or mineral); added or residual organic C and irrigation system (drip or furrow irrigation). In order to achieve it, the experimental part of this work has been carried out in 4 phases, 2 field experiments (described in chapters 3 and 6) and 2 laboratory experiments (described in chapters 4 and 5). In the first phase, the emission of N2O, NO and denitrification losses from an irrigated soil amended with organic fertilizers with different soluble organic carbon fractions and ammonium contents were studied in a field study covering the growing season of potato (Solanum tuberosum). The field experiment was located at ‘El Encin’ Field Station, near Madrid. Untreated pig slurry with and without the nitrification inhibitor dicyandiamide, digested thin fraction of pig slurry, composted solid fraction of pig slurry and composted municipal solid waste mixed with urea were applied at a rate of 175 kg available N ha-1, and emissions were compared with those from urea and a control treatment without any added N fertilizer. The cumulative denitrification losses correlated significantly with the soluble carbohydrates, dissolved N and total C added. Added dissolved organic C and dissolved N affected the N2O/N2 ratio, and alower ratio was observed for organic fertilizers than from urea or unfertilised controls. The proportion of N2O produced from nitrification was higher from urea than from organic fertilizers. Accumulated N2O losses during the growing season ranged from 3.69 to 7.31 kg N2O-N ha-1 for control and urea, respectively, whereas NO losses ranged from 0.005 to 0.24 kg NO-N ha-1, respectively. Digested thin fraction of pig slurry compared to untreated pig slurry mitigated the total N2O emission by 48% and the denitrification rate by 33%, but did not influence NO emissions. Composted pig slurry compared to untreated pig slurry increased the N2O emission by 40% and NO emission by 55% but reduced the denitrification losses (34%). Dicyandiamide partially inhibited nitrification rates and reduced N2O and NO emissions from pig slurry by at least 83% and 77%, respectively. Municipal solid waste mixed with urea , with a C:N ratio higher than that of the composted pig slurry, produced the largest denitrification losses (33.3 kg N ha-1), although N2O and NO emissions were lower than for the urea and pig slurry treatments. This work has shown that for an irrigated clay loam soil additions of treated organic fertilizers can mitigate the emissions of NO and N2O in comparison with urea. In the second phase the effect of soluble organic C on N2O and NO emissions from the El Encín soil was studied in detail under controlled laboratory conditions. Soluble organic carbon (glucose) was added together with a mineral fertilizer (ammonium sulphate) at two different N rates (200 and 50 kg N ha-1) under different moisture contents, at a water filled pore space (WFPS) of 90% and 40%. In addition the importance of soil type in influencing trace gas fluxes was studied by repeating the laboratory study using a contrasting soil from Scotland. The Scottish soil was agrassland soil (pH 5.5, 3.5% C), the Spanish soil was a semiarid arable soil (pH=7.5, 0.8 %C). Under wet conditions (90% WFPS), at high and low rates of N additions, cumulative N2O emissions increased by 250.7 and 8.1 ng N2O-N g-1 in comparison to the control, respectively from the Spanish soil and by 472.2 and 2.1 ng N2O-N g-1, respectively from the Scottish soil. NO emissions only significantly increased from the Spanish soil at the high N application rate with and without glucose addition and at both 40% and 90% WFPS. In both soils additions of glucose together with the high N application rate (200 kg N ha-1) reduced cumulative N2O and NO emissions by 94% and 55% from the Spanish soil, and by 46% and 66% from the Scottish soil, respectively. These differences can be explained by differences in soil properties, including pH, soil mineral N and total and dissolved organic carbon content. It is speculated that nitrifier denitrification was the main source of NO and N2O in the C-poor Spanish soil, and coupled nitrification-denitrification in the C-rich Scottish soil. To complete the research on the influence of carbon on trace gas emissions from agricultural soil, the third phase of this work consisted of a laboratory experiment using a low carbon soil (0.18% organic matter) from another arid region, Mali, Africa. In this study the residual effect of the C on the N oxides emission produced after application of water or water plus urea was investigated. The soil samples were collected by CEH Edinburgh and the laboratory experiment was carried out at Edinburgh. Six months before collection, these fields had received a combination of manure, no manure, urea or no urea. When soils were rewetted with water, pulses of N2O and CO2 peaked at a WFPS of 68% and pulses of NO only appeared when the WFPS was less than 60%. The second rainfall event, with the addition of urea, increased NO emissions by one order of magnitude, compared to first rainfall event (water only). The plots that six months prior to this study had received manure and urea had smaller total emissions of N2O (1.2 ng N2O-N g-1 soil) and NO (43.9 ng NO-N g-1 soil) compared to plots previously receiving urea only (5.6 ng N2O-N g-1 soil and 260.3 ng NO-N g-1 soil). These data suggest that the residual effect of manure can reduce emissions of the atmospheric pollutants NO and N2O in carbon poor soils. In order to develop strategies to reduce N oxide emissions, the fourth phase of this work was designed to show the importance of a good system irrigation selection. A field experiment was carried out to compare the influence of different irrigation systems: furrow-irrigation or drip-irrigation, on N2O and NO emissions from a soil during the melon crop season at El Encín field station, near Madrid. Two fertilizer treatments were evaluated for each irrigation regime: ammonium sulphate and anaerobic pig slurry, as a mineral and organic N fertilizer respectively, at a rate of 175 kg N ha-1. Additionally there was a control treatment without any N fertilizer. On plots where N fertilizers were applied, drip irrigation reduced total N2O and NO emissions (by 70% and 33% respectively for ammonium sulphate) and 28% only for N2O for anaerobic pig slurry with respect to values for furrow irrigation. This was probably due to the smaller amount of water applied and the different soil wetting pattern associated with drip-irrigation. Dry areas of the drip-irrigated plots emitted a similar amount of N2O to the wet areas (0.45 kg N2O-N ha-1) in the control and greater quantities in the N treatment (0.95 and 0.92 kg N2O-N ha-1 for ammonium sulphate and anaerobic pig slurry respectively for dry areas and 0.70 and 1.35 kg N2O-N ha-1 for the same treatments for wet areas).We suggest that the N oxide pulses observed throughout the irrigation period on drip-irrigation plots could have been the result of frequent increases in the soil wetting volume after the addition of water. Under drip-irrigation, nitrification was an important source of N2O, whereas denitrification was the most important source under furrow-irrigation. The addition of NH4+ and the use of drip-irrigation enhanced the N2O/N2 ratio of gases produced through denitrification. However, the addition of organic fertilizer showed again a positive effect reducing N2O/N2 ratio compare with mineral treatment, even under both irrigation systems (0.24 and 1.60 for anaerobic pig slurry and ammonium sulphate under furrow-irrigation, and 0.75 and 2.50, for the same treatments under drip-irrigation). The quantity of dissolved organic C in the soil generally decreased with addition of NH4+ although this decrease was a bit lower from organic fertilizer. This work showed that, in comparison with furrow irrigation, drip irrigation is a method that can be used to save water and mitigate NO and N2O emissions.
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