Efficacy of nitrification and urease inhibitors to reduce nitrogen losses under optimal management practices in irrigated Mediterranean agrosystems

Mateo Marín, Noemí
Isla Climente, Ramón (dir.) ; Quílez Sáez de Viteri, Dolores (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2020


Resumen: El continuo crecimiento de la población mundial y el cambio en el estilo de vida está sometiendo a los recursos naturales a una presión sin precedentes (Kopittke et al., 2019). Con una previsión de unos 10.000 millones de habitantes (United Nations, 2019) para 2050, la producción de alimentos debería incrementarse en un 70% respecto a aquella de 2005 (ELD Initiative, 2015) para cubrir la demanda alimentaria. Sin unos cambios significativos en los patrones de consumo, este incremento requerirá un aumento de la productividad agrícola (Cole et al., 2018) y de la eficiencia en el uso de recursos (energía, agua, nutrientes) (Pinstrup-Andersen and Pandya-Lorch, 1998), para así reducir la degradación ambiental asociada a las prácticas agrícolas. En este contexto, y tratando de aumentar la eficiencia del nitrógeno aplicado a los cultivos, se han desarrollado nuevas tecnologías como los inhibidores de la nitrificación y de la ureasa que pueden mantener el nitrógeno en formas más estables y menos vulnerables a su pérdida al medio ambiente (Ussiri and Lal, 2013). En sistemas agrícolas de regadío, donde las pérdidas de nitrógeno (emisión de óxido nitroso, lavado de nitrato, entre otras) son más importantes (Isidoro et al., 2006; Sanz-Cobena et al., 2017), el uso de esta tecnología podría ser especialmente relevante. Sin embargo, la eficacia de estos productos depende en gran medida de factores climáticos, edáficos y de manejo agrícola (Ussiri and Lal, 2013), y por ello deben ser evaluados bajo las condiciones específicas en las que van a ser utilizados.
El objetivo principal de esta Tesis es evaluar, en términos productivos y de pérdidas de nitrógeno (emisión de óxido nitroso, volatilización de amoniaco, lavado de nitrato), el uso de inhibidores de la nitrificación y de la ureasa cuando son utilizados con fertilizantes sintéticos y orgánicos en cereales cultivados bajo condiciones mediterráneas de regadío con un manejo optimizado del riego y la fertilización nitrogenada. Además, como objetivo adicional, se evalúa la influencia de diversos aspectos metodológicos asociados con la técnica de cámaras estáticas cerradas para la determinación de los flujos de óxido nitroso.
Para el desarrollo de la Tesis se establecieron tres ensayos de campo entre los años 2015 y 2018 en los que se estudió la dinámica del nitrógeno en el sistema suelo-planta-atmósfera, cuantificando su uso por parte del cultivo, las transformaciones en el suelo y las pérdidas del sistema agrícola. El ensayo 1 consistió en una rotación maíz-maíz-trigo llevada a cabo en 24 lisímetros de drenaje con dos suelos con diferente capacidad de retención de agua disponible (“Profundo” y “Somero”), donde se evaluaron cuatro tratamientos consistentes en urea, urea estabilizada con inhibidores de la ureasa (NBPT: ureasa triamida N (n-butil) tiofosfórica o MCDHS: monocarbamida dihidrógeno sulfato) o con un inhibidor de la nitrificación (DMPP: 3,4-dimetilpirazol fosfato). El ensayo 2 consistió en un cultivo de trigo en el que se aplicó urea, purín porcino o purín porcino estabilizado mediante el inhibidor MCDHS. En el ensayo 3, también desarrollado en un cultivo de trigo, se compararon tres aditivos (potenciador de la microbiología del suelo, inhibidor MCDHS e inhibidor DMPP en forma de Vizura®) añadidos al purín porcino. La información relativa a los flujos de emisión de óxido nitroso (N2O) de los ensayos 2 y 3 fue también utilizada para estudiar los aspectos metodológicos planteados en el segundo objetivo.
Se determinó el contenido de nitrógeno mineral en el suelo (ensayos 1, 2 y 3) mediante el análisis en extractos de suelo (1 suelo : 3 solución 2 M KCl) de las concentraciones de nitrato y amonio mediante colorimetría (AutoAnalyser 3, Bran+Luebbe). Para la estimación de los flujos de óxido nitroso (ensayos 1, 2 y 3) se utilizó la metodología de las cámaras estáticas cerradas (Holland et al., 1999). Las muestras de aire dentro de las cámaras (19.7-18.5 cm de altura y 30.0 cm de diámetro interior) se tomaron en el momento en el que se producía la temperatura media del día, entre 9:30h y 11:00h GMT (Alves et al., 2012). Las muestras se analizaron por cromatografía de gases (Agilent 7890B con columna HP-Plot Q con detector de ionización de llama y de captura electrónica). Los flujos de emisión se calcularon como el incremento en la concentración de gas dentro de la cámara corregido por la temperatura del aire y multiplicado por la relación entre el volumen de aire dentro de la cámara y la superficie del suelo ocupada por la cámara (MacKenzie et al., 1998). Para la medida de la volatilización del amoniaco (ensayo 4) se utilizaron cámaras estáticas semiabiertas (Pozzi et al., 2012; Araujo et al., 2009); el amoniaco volatilizado se recogió en una bayeta de poliuretano impregnada en solución ácida. El amonio absorbido en las bayetas se extrajo con 125 mL de solución 2 M KCl y se midió la concentración de amonio en el extracto mediante colorimetría (AutoAnalyser 3, Bran+Luebbe). Se midió el rendimiento del cultivo en madurez fisiológica y se analizó el contenido de nitrógeno total del grano y del resto de la biomasa aérea mediante la técnica de la combustión seca (TruSpec CN, LECO).
El uso de los inhibidores, al ser aplicados junto a urea o purín porcino y con un manejo eficiente de la dosis de agua de riego, no afectó a la productividad de los cultivos ni a la eficiencia en el uso del nitrógeno por parte de la planta; aunque permitió una reducción del número de aplicaciones nitrogenadas en cobertera en maíz sin comprometer los citados parámetros. El inhibidor DMPP fue capaz de mitigar las emisiones de N2O independientemente del tipo de suelo (73% en suelo Profundo, 60% en suelo Somero) o fuente de nitrógeno (67% en urea, 70% en purín de cerdo). Además, en el ensayo 1 los inhibidores de la ureasa redujeron las emisiones de N2O escaladas al rendimiento, aunque únicamente en el suelo Profundo (68 g N Mg-1 grano en el tratamiento con MCDHS, 76 g N Mg-1 grano en el tratamiento con NBPT vs. 131 g N Mg-1 grano en la aplicación tradicional de urea). Ninguno de los inhibidores fue capaz de disminuir la masa de nitrato perdida por drenaje en ninguno de los dos suelos, probablemente debido al ajuste óptimo de las dosis de nitrógeno y agua de riego a las necesidades de los cultivos. El ensayo 2 demostró que el purín porcino puede sustituir completamente a la urea en un cultivo de trigo, manteniendo el rendimiento y sin afectar a la eficiencia del uso de nitrógeno, aunque se observó un descenso en el contenido de proteína del grano. No se observó ningún efecto del inhibidor MCDHS añadido al purín porcino sobre la productividad del cultivo y las pérdidas de nitrógeno. En el ensayo 3, los aditivos (potenciador de la actividad microbiana e inhibidor MCDHS) no lograron reducir las pérdidas de nitrógeno por volatilización de amoniaco.
En relación con el segundo objetivo de la tesis, se ha propuesto una metodología de análisis de imagen para estimar el volumen ocupado por las plantas en las cámaras estáticas cerradas utilizadas para medir el flujo de gases hacia la atmósfera. A partir de la misma se ha determinado que la no consideración de dicho volumen supone un error sistemático en las estimaciones de las emisiones de N2O, cuantificado en un 0,9% para el cultivo y año analizado. Por otro lado, la emisión de N2O, un 35% mayor en las cámaras sin plantas respecto a las que tenían plantas, ha demostrado que la eliminación o corte de plantas en el interior de las cámaras para facilitar la medida de los flujos de emisión no es recomendable. Esta diferencia observada en las emisiones de N2O se atribuye al menor contenido en nitrógeno mineral y a la menor temperatura en los primeros centímetros del suelo en las cámaras donde las plantas están presentes. Además, el cálculo de las emisiones de N2O mediante el modelo lineal dio estimaciones un 18% menores que mediante la utilización del paquete HMR que elige entre modelo lineal o exponencial; sin embargo, no se pudo observar un descenso en los flujos de emisión al aumentar el contenido de N2O dentro de las cámaras con tiempos de cierre más largos, por lo que no se justificaría la elección del modelo exponencial. Asimismo, se considera viable reducir el número de tiempos de muestreo de cuatro (0, 20, 40, y 60 min) a dos (0 y 60 min), con una pérdida de precisión de menos de un 0,3% en la estimación de los flujos de N2O en las condiciones estudiadas.
En conclusión, esta Tesis ha demostrado que, en las condiciones semiáridas de regadío, en un escenario de buenas prácticas de riego y fertilización los diferentes inhibidores de ureasa y nitrificación evaluados mezclados con urea o con purín de cerdo a la dosis recomendada por las empresas fabricantes no afectaron los parámetros agronómicos del cultivo. Además, los inhibidores de ureasa y nitrificación no pudieron reducir la lixiviación de nitrato y solo el DMPP, mezclado con urea y purines de cerdo, pudo reducir de forma consistente las emisiones de N2O absolutas y escaladas por el rendimiento . Asimismo, se ha demostrado que es posible simplificar la metodología de medida de óxido nitroso con una afectación mínima a la calidad de las estimas de las emisiones.
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Ussiri, D., Lal, R., 2013. Soil Emission of Nitrous Oxide and its Mitigation. Springer, Netherlands, 378 pp.


Resumen (otro idioma): 

Pal. clave: cambio climatico ; uso combinado de agua y fertilizantes ; produccion de cultivos ; control de la contaminacion atmosferica

Titulación: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Plan(es): Plan 508
Nota: Presentado: 17 09 2020
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2020

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 Registro creado el 2022-10-05, última modificación el 2022-10-05


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