Antecedentes

Técnicas para la mejora de la eficiencia del uso de N en los cultivos

Técnicas basadas en la rotación de cultivos, bien introduciendo leguminosas como cultivo productivo en secanos (López-Bellido et al., 2006, 2013) o diferentes especies de cultivos captura en los períodos de barbecho de regadíos (Gabriel y Quemada, 2011; Alonso-Ayuso et al., 2014) han mostrado ser muy eficientes en el aumento de la NUE. En el caso de los cultivos captura presentan la ventaja adicional de disminuir pérdidas por lixiviación de nitratos (Salmerón et al., 2010a; Gabriel et al., 2012). El manejo de los residuos de cultivo y las técnicas de reducción de laboreo aumentan el secuestro de C y la eficiencia de uso del agua por lo que bien manejadas pueden llevar igualmente a un aumento de la NUE (Cantero-Martinez et al., 2003; Angás et al., 2006; Morell et al., 2011; López-bellido et al., 2013). La aplicación de residuos orgánicos como purines son frecuentes en rotaciones de cultivos herbáceos y su manejo requiere especial atención debido a que son a la vez una fuente de nutrientes y un riesgo para la contaminación de aguas por nitratos si se realizan aplicaciones excesivas (Yagüe y Quílez, 2010; Salmerón et al. 2010b; Cela et al., 2011). En el caso de muchos cultivos hortícolas es frecuente observar baja NUE debido a la elevada demanda de N por los cultivos y a la baja exportación en los productos, por lo que han sido identificados como origen de contaminación de zonas de aguas por nitratos (Vázquez et al., 2006; Thompson et al., 2007; Quemada et al., 2013).

Es de destacar que los grupos del consorcio han aplicado sólidas técnicas de medida a diferentes sistemas de cultivo para determinar la NUE como es el uso de isótopos estables (López-Bellido et al., 2006; Gabriel y Quemada, 2011), o la lixiviación de nitratos como la calibración inversa de modelos (Gabriel et al., 2012) o lisímetros (Yagüe and Quílez, 2010). También se han desarrollado herramientas para mejorar la recomendación de la aplicación de fertilizantes (orgánicos e inorgánicos) que llevan a una mejora de la NUE. Cabe destacar la amplia experiencia en utilización de herramientas clásicas como son el contenido de N mineral del suelo o en planta en diferentes sistemas de cultivo (Arregui y Quemada, 2008; Cela et al., 2013; Peña-Fleitas et al., 2015) y modelos de simulación de cultivos (Cavero et al., 2012; Gallardo et al., 2014; Soldevilla-Martínez et al., 2014). Asimismo, los trabajos de evaluación del uso del N a nivel de polígono de riego (Isidoro et al., 2004; 2006) han permitido evaluar la NUE a escala real.

En los últimos años, varios grupos han trabajado en el empleo de sensores que permiten tomar medidas rápidas en el cultivo para ajustar la aplicación de fertilizantes y mejorar la NUE (Arregui et al., 2006; Quemada et al., 2014; López-Bellido et al., 2004, 2012; Padilla et al., 2014, 2015). Estas medidas que pueden considerarse de teledetección a distintos niveles (próximas, drones, avión o satélite) están mostrando un gran potencial para realizar una monitorización eficiente de la cobertura de suelo y del estado nitrogenado del cultivo. A su vez requieren un contraste con técnicas tradicionales y en diferentes sistemas de cultivo por lo que pueden servir de punto de encuentro para las estrategias de mejora de la NUE.

Emisiones de N2O y prácticas agrícolas enfocadas a su mitigación

El óxido nitroso, que contribuye al 60% de las emisiones agrícolas mundiales, tiene un potencial de calentamiento global (GWP) de 296 y tiene a menudo un peso muy importante en la huella de carbono de los sistemas de producción agrícola y de bioenergía (Snyder at al., 2013). La emisión de N2O depende de su producción y consumo en el suelo, generada a través de la nitrificación, desnitrificación, nitrificación-desnitrificación y de la reducción del nitrato a amonio (Bagg, 2011). Son procesos bioquímicos complejos donde los ciclos de N y C están estrechamente relacionados y en los que hay grandes lagunas de conocimiento, sobre todo en la escala de agrosistema. Un avance para el estudio de estos mecanismos lo constituyen las nuevas herramientas moleculares que permiten conocer la abundancia de poblaciones nitrificantes y desnitrificantes (Correa-Galeote et al., 2013), centrándose en la amplificación de genes funcionales implicados en estos procesos, tales como los genes napA/narG, nirK/nirS, norC y nosZ, que están implicados en la síntesis de las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, óxido nítrico reductasa y óxido nitros reductasa, respectivamente. Aunque hasta la fecha han sido pocos los estudios relacionándolos con prácticas agrícolas (Melero et al., 2011), algunos grupos de la Red están incorporando esta metodología a sus estudios (Tellez-Rio et al., 2014; Calleja-Cervantes et al., 2014; Tortosa et al., 2011). A su vez, la metodología isotópica está contribuyendo a una mejor comprensión de estos procesos (Meijide et al., 2010; Ariz et al., 2011).

Las condiciones climáticas, el suelo y algunas prácticas agrícolas (fertilización nitrogenada, riego, laboreo) son claves en el control de las emisiones (Smith y Conen, 2004). En sistemas agrarios mediterráneos hay poca información, siendo los grupos de este consorcio responsables de buena parte de lo publicado. En el sector de fertilizantes se está desarrollando tecnología para ofrecer fertilizantes más eficientes. Este es el caso de los preparados que incluyen inhibidores de la nitrificación (p.e DCD, DMPP) o de la ureasa (p.e NBPT). Hay constancia de su beneficio en la reducción de emisiones en nuestros sistemas (Menéndez et al., 2008) aunque el grado de eficiencia depende de las condiciones de uso (Abalos et al., 2012). Un aspecto valioso aportado por los grupos UPV-EHU y UPNA es que el mantenimiento de una mayor cantidad de amonio como consecuencia de la utilización de este tipo de productos, puede mejorar la calidad nutricional de algunos cultivos (Artola et al., 2011; Setién et al., 2013). Otras estrategias que han mostrado ser eficientes para reducir emisiones son el laboreo y las rotaciones (Pinto et al., 2004; Menéndez et al., 2008; Plaza-Bonilla et al., 2014 a,b; Tellez-Rio et al., 2014), o el manejo del agua mediante goteo-fertirrigación (Abalos et al., 2014; Vallejo et al., 2014). Finalmente, los  principales modelos de simulación de emisiones que se están utilizando a nivel mundial (DNDC (Li, 2000) y DAYCENT (Parton et al., 2001)) se encuentran en España en proceso de validación (Doltra et al., 2014). La validación de este tipo de modelos permitirá su aplicación en herramientas para la toma de decisión en base a la mitigación de GEI y la producción de los cultivos.

BIBLIOGRAFIA

Abalos D., Sanz-Cobena A., Misselbrook T., Vallejo A. 2012. Effectiveness of urease inhibition on the abatement of ammonia, nitrous oxide and nitric oxide emissions in a non-irrigated Mediterranean barley field. Chemosphere 89:310-318.

Abalos D., Sanchez-Martin L., García-Torres L., Van Groenigen JW., Vallejo A. 2014. Management of irrigation frequency and nitrogen fertilization to mitigate GHG and NO emissions from drip-fertigated crops. Sci. Total Environ. 490:880-888.

Alonso-Ayuso M, Gabriel JL, Quemada M. 2014. The kill date as a management tool for cover cropping success. PLOS ONE. In press. DOI: 10.1371/journal.pone.0109587.

Angás P., Lampurlanés J., Cantero-Martínez C. 2006. Tillage and N fertilization. Effects on N dynamics in barley yield under semiarid Mediterranean conditions. Soil Till. Res. 87:59-71.

Arregui LM., Lasa B., Lafarga A., Irañeta I., Baroja E., Quemada M. 2006. Evaluation of chlorophyll meters as tools for N fertilization in winter wheat under humid Mediterranean conditions. Eur. J. Agron. 24:140-148.

Arregui L.M. y Quemada M. 2008. Strategies to improve nitrogen-use efficiency in winter cereal crops under rainfed Mediterranean conditions. Agron J. 100: 277-284.

Artola E., Cruchaga S., Ariz I., Moran JF., Garnica M., Houdusse F., Garcia-Mina JM., Irigoyen JI., Aparicio-Tejo PM. 2011. Effect of N-(n-butyl) thiophosphoric triamide on urea metabolism and the assimilation of ammonium into Triticum aestivum L. Plant Growth Regul. 63:73-79.

Ariz I.,  Cruz C., Moran JF., González-Moro MB., García-Olaverri C., González-Murua C., Martins-Loução MA., Aparicio-Tejo PM. 2011. Depletion of the heaviest stable N isotope is associated with NH4+/NH3 toxicity in NH4+-fed plants. BMC Plant Biology.

Bagg E. 2011. Soil microbial sources of nitrous oxide: recent advances in knowledge, emerging challenges and future direction. Curr. Opin. Env. Sust. 3:321–327.

Calleja-Cervantes ME., Menéndez S., Fernández-González AJ., Irigoyen I., Cibriáin-Sabalza JF., Toro N., Aparicio-Tejo PM., Fernández-López M. 2014. Nutrient content and microbial community in soil change after 12 years of organic amendment application in a vineyard. Eur. J. Soil Sci. In press. DOI: 10.1111/ejss.12261.

Cantero-Martínez C., Angás P., Lampurlanés J.  2003. Growth yield and water productivity of barley (Hordeum vulgare L.) affected by tillage and N fertilization in Mediterranean semiarid, rainfed condition of Spain. Field Crop Res. 84:341-357.

Cavero J., Barros R., Sellam F., Topcu S., Isidoro D., Hartani T., Lounis A., Ibrikci H., Cetin M., Williams J.R., Aragüés R. 2012. APEX simulation of best irrigation and N management strategies for off-site N pollution control in three Mediterranean irrigated watersheds. Agricultural Water Management, 103:88-99.

Cela, S., Santiveri, F., J. Lloveras, J. 2011. Residual effects of pig slurry and mineral nitrogen fertilizer on irrigated wheat. Eur. J. Agron. 34: 257-262.

Cela, S., Berenguer, P., Ballesta, A., Santiveri, F., J. Lloveras, J. 2013. Prediction of relative corn yield with soil-nitrate tests under irrigated Mediterranean conditions. Agron. J. 105:1101-1106.

Correa-Galeote D., Marco DE., Tortosa G., Bru D., Philippot L., Bedmar EJ. 2013. Spatial distribution of N-cycling microbial communities showed complex patterns in constructed wetland sediments. FEMS Microbiology Ecology. 83: 340-351.

Doltra J., Sanz-Cobena A., Alvaro-Fuentes J., del Prado A., Tellez-Rio A., Plaza D., Gallejones P., Pardo G., Ortiz-Gonzalez R. REMSAE: grupo de modelización GEI y de la dinámica del N y C en sistemas de cultivo en España. Actas del III Workshop Remedia. 10-11 de abril 2014. Valencia.

Gabriel, JL, Quemada M. 2011. Replacing bare fallow with cover crops in a maize cropping system: yield, N uptake and fertiliser fate. Eur J Agron. 34: 133-143.

Gabriel JL., Muñoz-Carpena R., Quemada M. 2012. The role of cover crops in irrigated systems: Water balance, nitrate leaching and soil mineral nitrogen accumulation. Agric. Ecosyst. Environ. 155:50-61.

Isidoro, D., Quilez D., Aragüés R. 2004. Water balance and irrigation performance analysis: La Violada irrigation district (Spain) as a case study. Ag. Water Manage. 64(2): 123-142.

Isidoro, D., Quilez, D., Aragues, R., 2006. Environmental impact of irrigation in La Violada district (Spain). II. Nitrogen fertilization and nitrate export patterns in drainage water. J. Environ. Qual. 35, 776–785.

Gallardo, M., Thompson, R.B., Giménez, C., Padilla, F.M., Stöckle, C. 2014. Prototype decision support system based on the VegSyst simulation model to calculate crop N and water requirements for tomato under plastic cover. Irrigation Science 32, 237-253

Li, CS. 2000. Modeling Trace Gas Emissions from Agricultural Ecosystems. Nut. Cycl.Agroecosys. 58:259-276.

López-Bellido RJ., Shepherd CE., Barraclough PB. 2004. Predicting post-anthesis N requeriments of bread wheat with Minolta SPAD meter. Eur. J. Agron. 20: 313-320.

López-Bellido L., López-Bellido RJ., Redondo R., Benítez J. 2006. Faba bean nitrogen fixation in a wheat-based rotation under rainfed Mediterranean conditions: Effects of tillage system. Field Crop Res. 98:253-260.

López-Bellido RJ., López-Bellido L., Fernández-García P., López-Bellido J.M., Muñoz-Romero V., López-Bellido PJ., Calvache S. 2012. Nitrogen remote diagnosis in a creeping bentgrass golf green. Eur. J. Agron. 37:23-30.

López-Bellido L., Muñoz-Romero V., López-Bellido RJ. 2013. Nitrate accumulation in the soil profile: Long-term effects of tillage, rotation and N rate in a Mediterranean Vertisol. Soil Till. Res.130:18-23.

Meijide A., Cardenas LM., Bol R., Bergstermann A., Goulding KWT., Well R., Vallejo A., Scholefield D. 2010. Dual isotope and isotopomer fractionation for the understanding of N2O production and consumption during denitrification in an arable soil. Eur. J. Soil Sci. 61:364–374.

Melero S., Perez-Mora A., Murillo JM., Buegger F., Kleinedam K., Kublik S., Vanderlinden K., Moreno F., Schloter M. 2011. Denitrification in a vertisol under long-term tillage and no-tillage management in dryland agricultural systems: Key genes and potential rates. Appl. Soil Ecol. 47:221-225.

Menendez S., Lopez-Bellido RJ., Benitez-Vega J., Gonzalez-Murua C., Lopez-Bellido L., Estavillo JM. 2008. Long-term effect of tillage, crop rotation and N fertilization to wheat on gaseous emissions under rainfed Mediterranean conditions. Eur. J. Agron. 28:559-569.

Morell FJ., Lampurlanés J., Àlvaro-Fuentes J., Cantero-Martínez C. 2011. Yield and water use efficiency of barley in a semiarid Mediterranean agroecosystem: Long-term effects of tillage and N fertilization. Soil Till. Res. 117:76-84.

Padilla, F.M., Peña-Fleitas, T., Gallardo, M., Thompson, R.B. 2014. Evaluation of optical sensor measurements of canopy reflectance and of leaf flavonols and chlorophyll contents to assess crop nitrogen status of muskmelon. Eur. J. Agron. 58, 39-52.

Padilla, F.M., Peña-Fleitas, T., Gallardo, M., Thompson, R.B. 2015. Threshold values of canopy reflectance indices and chlorophyll meter readings for optimal nitrogen nutrition of tomato. Ann. Appl. Biol. 166, 271-285

Plaza-Bonilla D., Cantero-Martínez C., Alvaro-Fuentes J. 2014a. Soil management effects on soil greenhouse gases production at the macroaggregate scale. Soil Biol. Biochem. 68:471-481.

Plaza-Bonilla D., Álvaro-Fuentes J., Arrúe JL., Cantero-Martinez C. 2014b. Tillage and nitrogen fertilization effects on nitrous oxide yield-scaled emissions in a rainfed Mediterranean área. Agric. Ecosyst. Environ. 189:43-52.

Peña-Fleitas, T., Gallardo, M., Thompson, R.B., Farneselli, M., Padilla, F.M. (2015).  Assessing crop N status of fertigated vegetable crops using plant and soil monitoring techniques. Ann. Appl. Biol. (published on-line). DOI: 10.1111/aab.12235.

Pinto M., Merino P., Yamulki S.,Gebauer G., del Prado A., Pietrzak S., Oenema O.  2004. Increased emissions of nitric oxide and nitrous oxide following tillage of a permanent pasture. Nutr. Cycl. Agroecosys. 70:13-22.

Quemada M., Gabriel JL. Zarco-Tejada P. 2014. Airborne Hyperspectral Images and Ground-Level Optical Sensors As Assessment Tools for Maize Nitrogen Fertilization. Remote Sensing  6:2940-2962.

Quemada M., Baranski M., Nobel-De Lange MNJ., Vallejo A., Cooper JM. 2013. Meta-analysis of strategies to control nitrate leaching in irrigated agricultural systems and their effects on crop yield. Agric. Ecosyst. Environ. 174:1 -10.

Parton WJ., Holland EA., Grosso SJD., Hartman MD., Martin RE., Mosier AR., Ojima DS., Schimel DS. 2001. Generalized model for NOx and N2O emissions from soils. J. Geophys. Res. 106:17403-17419.

Salmerón, M., Cavero J., Quílez D., Isla R. 2010a. Winter cover crops affect monoculture maize yield and nitrogen leaching under irrigated Mediterranean conditions. Agron. J. 102 (6), 1700-1709.

Salmerón, M., Cavero J., Delgado I., Isla R. 2010b. Yield and Environmental Effects of Summer Pig Slurry Applications to Irrigated Alfalfa under Mediterranean Conditions. Agron. J. 102(2): 559-567.

Setién I.,Fuerte-Mendizabal T., Gonzalez A., Aparicio-Tejo PM.,Gonzalez-Murua C., Gonzalez-Moro MB., Estavillo JM. 2013. High irradiance improves ammonium tolerance in wheat plants by increasing N assimilation. Journal Plant Physiology. 170:758-771.

Smith KA., Conen F. 2004. Impacts of land management on fluxes of trace greenhouse gases. Soil Use Manage. 20:225–263.

Snyder CS., Bruulsema TW. Jensen TL., Fixen PE. 2009. Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects. Agric. Ecosyst. Environ. 133:247–266.

Soldevilla-Martinez M., Quemada M., López-Urrea R., Muñoz-Carpena R., Lizaso J.I. 2014. Soil water balance: Comparing two simulation models of different levels of complexity with lysimeter observations. Agr. Water Manage.139: 53–63.

Tellez-Rio A., García-Marco S., Navas M., López-Solanilla M., Rees R., Tenorio JL.,Vallejo A. 2014. Nitrous oxide and methane emissions from a vetch cropping season are changed by long term tillage practices in a Mediterranean agroecosystem. Biol. Fert. Soils. 51:77-88

Thompson, R.B., Martínez-Gaitán, C., Gallardo, M., Giménez, C., Fernández, M.D. 2007. Identification of irrigation and N management practices that contribute to nitrate leaching loss from an intensive vegetable production system by use of a comprehensive survey. Agr. Water Manage. 89, 261–274

Tortosa G., Correa-Galeote D., Sánchez-Raya AJ., Delgado A., Sánchez-Monedero MA., Bedmar EJ. 2011. Nitrate contamination, physicochemical properties and biological activities in surface waters and sediments of La Rocina stream (Doñana National Park, SW Spain): Greenhouse gas emissions and denitrification. Ecol. Eng. 37:539-548.

Vallejo A., Meijide A., Boeckx P., Arce A., García-Torres L., Aguado P. L., Sanchez-Martin L. 2014. Nitrous oxide and methane emissions from a surface drip-irrigated system combined with fertilizer management.  Eur. J. Soil Sci. 65:386-395.

Vázquez, N., Pardo, A., Suso, M.L., Quemada, M., 2006. Drainage and nitrate leaching under processing tomato growth with drip irrigation and plastic mulching. Agric.Ecosyst. Environ. 112, 313–323.

Yagüe M.R., Quílez, D. 2010. Response of maize yield, nitrate leaching, and soil nitrogen to pig slurry combined with mineral nitrogen J. Environ. Qual. 39, 686-696