Tesis:
Efecto de diferentes sistemas de manejo de malas hierbas sobre la composición, diversidad y estructura funcional de las comunidades arvenses en viñedos mediterráneos
- Autor: GARCÍA GUERRA, José
- Título: Efecto de diferentes sistemas de manejo de malas hierbas sobre la composición, diversidad y estructura funcional de las comunidades arvenses en viñedos mediterráneos
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: PRODUCCION AGRARIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73165/
- Director/a 1º: DORADO GÓMEZ, José
- Director/a 2º: CABELLO SÁENZ DE SANTA MARÍA, Félix
- Resumen: En las últimas décadas, el manejo convencional de malas hierbas en viñedos mediterráneos se ha basado en el uso recurrente de operaciones mecánicas (laboreo) y/o químicas (herbicidas) con el fin de mantener el suelo desnudo (libre de vegetación) durante la mayor parte del ciclo vegetativo del cultivo. El uso sostenido de estos manejos ha causado en muchas ocasiones graves problemas ambientales, como la erosión del suelo o la pérdida de biodiversidad. En particular, el empleo de estos manejos ha provocado en muchos agroecosistemas una disminución drástica de la diversidad de flora arvense. Así, se ha observado un predominio de un grupo reducido de especies muy competitivas sobre una amplia gama de especies arvenses cuyas poblaciones están en declive, lo cual puede tener efectos negativos sobre la provisión de servicios ecosistémicos claves en agroecosistemas (e.g. polinización de cultivos).
En los viñedos, el uso de cubiertas vegetales ha surgido como la principal alternativa al manejo convencional de malas hierbas, habiéndose reportado una mejora en la provisión de diferentes servicios ecosistémicos, aunque generalmente también se ha asociado a una disminución del rendimiento del cultivo. Al mismo tiempo, los viñedos de la cuenca mediterránea, habitualmente cultivados en régimen de secano, están siendo sustituidos en los últimos años por viñedos de regadío, un fenómeno que se espera que aumente debido al cambio climático. Conocer en profundidad cómo las comunidades arvenses responden a cambios en el manejo de malas hierbas y la aplicación de riego es esencial para mejorar la sostenibilidad del cultivo de la vid. Además, es necesario explorar nuevas formas de manejo, que puedan servir de alternativa al manejo convencional. Partiendo de estas premisas, se diseñaron los dos ensayos que componen esta tesis, ambos efectuados en viñedos de la Comunidad de Madrid: (A) un ensayo a largo plazo (2008-2018) en el que se contrastaban tres manejos de malas hierbas (herbicida, laboreo, siega) y dos posiciones según hubiera riego (línea) o no (calle), con el fin de analizar su efecto sobre la composición, la diversidad taxonómica, la diversidad funcional y la estructura funcional de las comunidades arvenses, midiendo además el rendimiento del viñedo; y (B) un ensayo que incluía diferentes acolchados vivos (living mulches) en las líneas del viñedo, con objeto de valorar si su uso podría servir para suprimir el desarrollo de malas hierbas especialmente perjudiciales sin comprometer el desarrollo óptimo del viñedo.
El diseño experimental del ensayo A fue de bloques al azar con cuatro repeticiones, incluyendo cuatro sistemas de manejo: S1) laboreo en calle, herbicida en línea; S2) laboreo en calle y línea; S4) siega en calle, herbicida en línea; y S5) siega en calle y línea. Durante el periodo 2015-2018 se llevaron a cabo muestreos sistemáticos de las comunidades arvenses. De todas las especies muestreadas, se seleccionaron 29 especies herbáceas con una presencia significativa. Posteriormente se recopilaron datos sobre 10 rasgos funcionales relacionados con la respuesta de las plantas ante el manejo agrícola: cinco rasgos vegetativos (e.g. altura de la planta, área foliar específica) y cinco rasgos reproductivos (e.g. peso de la semilla, duración del periodo de floración). A partir de los datos de campo y los datos recopilados, se analizó el efecto del manejo de malas hierbas y el riego sobre diferentes aspectos de las comunidades arvenses: 1) la composición de dichas comunidades, poniendo el foco en dos grupos, malas hierbas perjudiciales para la vid (NGW) y especies de pastizales terofíticos (TGS); 2) la diversidad taxonómica de las comunidades arvenses, midiendo la diversidad beta (β), la equidad (J’) y la riqueza específica (S). Se midió también el rendimiento del viñedo, con el fin de analizar la relación entre diversidad taxonómica y la producción agrícola. Además, se exploró el porcentaje de suelo desnudo, relacionado con el grado de perturbación asociado a cada manejo, como un potencial predictor de la diversidad taxonómica y del rendimiento del viñedo; 3) la estructura funcional de las comunidades arvenses, en base a la media ponderada de la comunidad (CWM) de los 10 rasgos funcionales recopilados, realizando posteriormente análisis RLQ y fourth-corner para establecer la relación entre rasgos y prácticas agrícolas. Además, mediante un análisis clúster, se pudieron conformar diferentes grupos funcionales, viendo su asociación con el manejo de malas hierbas y el riego; y posteriormente se examinó la similitud entre la estrategia de Grime y la estructura funcional de las comunidades arvenses; 4) las tres dimensiones básicas de la diversidad funcional: la riqueza funcional, la equidad funcional y la divergencia funcional. Así, a partir de los 10 rasgos funcionales se midieron diferentes índices de diversidad funcional (FRic, FEve, RaoQ). Posteriormente, se utilizaron modelos nulos (null models) para calcular dos nuevos índices (ES Fric, ES RaoQ). Los valores de ES RaoQ se usaron para detectar procesos de convergencia y divergencia de rasgos.
El diseño experimental del ensayo B consistió en bloques al azar con cuatro repeticiones y seis tratamientos, que incluyen dos controles: i) control sin tratar (UC, del inglés untreated control); ii) control libre de malas hierbas (WC, del inglés weed control); y cuatro acolchados vivos bajo las líneas del viñedo: iii) Festuca ovina (FO); iv) Pilosella officinarum (PO); v) Plantago coronopus (PC); y vi) Plantago lanceolata (PL). Este ensayo se llevó a cabo durante tres años en dos fincas experimentales, en las que se monitorizó: a) el porcentaje de cobertura de los acolchados vivos, como posible predictor del éxito de estos acolchados en la supresión de especies arvenses; b) la densidad de especies arvenses y la biomasa de las mismas, con especial atención a las malas hierbas perjudiciales para el viñedo (e.g. Erigeron canadensis); y c) el peso de la madera poda, el cual se midió únicamente en el último año para analizar el efecto acumulativo de los diferentes tratamientos sobre el crecimiento vegetativo de la vid.
En base a los resultados obtenidos, se pueden extraer varias conclusiones. En primer lugar, que la composición de las comunidades arvenses se vio afectada por el manejo de malas hierbas y, en menor medida, por el uso de riego. Así, las malas hierbas NGW fueron más abundantes en las líneas tratadas con herbicida, mientras que las especies TGS prevalecieron en las calles segadas. Respecto a la diversidad taxonómica, la siega favoreció comunidades más ricas en especies y más homogéneas, con una β-diversidad significativamente más baja que el laboreo y el herbicida. Las calles segadas, dominadas por Medicago minima, mostraron los valores más bajos de equidad taxonómica. Además, el porcentaje de suelo desnudo resultó ser un buen predictor tanto de la diversidad taxonómica como del rendimiento del viñedo, de forma que una mayor riqueza específica se asoció con menores porcentajes de suelo desnudo (subplots segados), mientras que los valores más bajos de riqueza específica se encontraron en zonas con un alto porcentaje de suelo desnudo (subplots labrados). Los subplots tratados con herbicida mostraron valores intermedios de suelo desnudo y una riqueza específica dependiente del manejo adyacente. Por otra parte, el rendimiento del viñedo fue mayor cuanto mayor era el porcentaje de suelo desnudo. De este modo, los sistemas de manejo con calles labradas (S1, S2) mostraron altos rendimientos, mientras que los sistemas de manejo con cubiertas segadas en las calles (S4, S5) mostraron los rendimientos más bajos, si bien su producción estuvo dentro del límite máximo establecido por el Consejo Regulador de la DOP "Vinos de Madrid".
El laboreo y la siega fueron los principales factores que condicionaron la estructura funcional de las comunidades arvenses. En general, el manejo de malas hierbas afectó significativamente a rasgos relacionados con la economía de la hoja (e.g. área específica foliar) y a ciertos rasgos regenerativos, mientras que el riego influyó en rasgos relacionados con el tamaño de la planta. Los rasgos fenológicos (e.g. inicio de la floración) se revelaron como un factor importante para entender la respuesta de las comunidades arvenses a las prácticas de manejo agrícola. Se identificaron hasta cinco grupos funcionales asociados a estas prácticas. Asimismo, se observó una relación coherente entre la estructura funcional de las comunidades arvenses, el manejo agrícola y la estrategia CSR: el riego favoreció la presencia de especies con una estrategia más competidora, la siega la presencia de especies con mayor tolerancia al estrés y el laboreo la de especies típicamente ruderales.
El manejo de malas hierbas y el riego tuvieron también un efecto significativo sobre la diversidad funcional de las comunidades arvenses. Por ejemplo, la siega resultó en una mayor riqueza funcional, aunque también actuaba como un fuerte filtro funcional para la mayoría de los rasgos estudiados, provocando que fueran funcionalmente convergentes. El laboreo filtró algunos rasgos vegetativos, al tiempo que favorecía la divergencia de ciertos rasgos reproductivos. El tratamiento herbicida causó los valores más altos de divergencia funcional al promover la presencia de especies más competitivas, las cuales presentan los valores más divergentes para algunos rasgos. La aplicación de riego en las líneas del viñedo dio lugar a procesos de divergencia funcional en aquellos rasgos vegetativos relacionados con la adquisición de recursos, así como en el peso de la semilla. Estos resultados indican que una mayor diversidad funcional (estimada habitualmente mediante RaoQ) puede estar asociada a la presencia de especies más competitivas (e.g. Convolvulus arvensis, Sonchus asper) con valores más extremos para algunos rasgos funcionales. Dado que estas especies se consideran perjudiciales para muchos cultivos, una mayor diversidad funcional podría no ser un indicador deseable en agroecosistemas.
Finalmente, esta disertación ha puesto de manifiesto que los acolchados vivos con altos índices de cobertura (promedio superior al 70 %) fueron efectivos en la supresión de especies arvenses (hasta el 95 %), particularmente alguna tan perjudicial para la vid como E. canadensis. No se encontró ningún efecto significativo de los diferentes tratamientos sobre el crecimiento vegetativo de la vid, aunque serían necesarios más estudios al respecto. De acuerdo a estos resultados, se podría afirmar que los acolchados vivos bajo la vid suponen un método eficaz y respetuoso con el medio ambiente para el control de malas hierbas en los viñedos mediterráneos, siempre que se pueda aplicar riego en la línea.
ABSTRACT
In recent decades, conventional weed management in Mediterranean vineyards has been based on the recurrent use of mechanical (tillage) and/or chemical (herbicides) operations in order to keep the soil bare (free of vegetation) during most of the crop growing cycle. The persistent use of such management has often caused serious environmental problems, such as soil erosion or biodiversity loss. In particular, the use of such management has led in many agroecosystems to a drastic decrease in the diversity of arable flora. Thus, a dominance of a small group of highly competitive species has been observed over a wide range of species whose populations are declining, which can have negative effects on the provision of key ecosystem services in agroecosystems (e.g. crop pollination).
In vineyards, the use of plant covers has emerged as the main alternative to conventional weed management, and has been reported to improve the provision of different ecosystem services, although it has generally also been associated with a decrease in crop yield. At the same time, vineyards in the Mediterranean basin, usually rainfed, are being replaced in recent years by irrigated vineyards, a phenomenon that is expected to increase due to climate change. A thorough understanding of how weed communities respond to changes in weed management and irrigation application is essential to improve the sustainability of grapevine cultivation. Furthermore, it is necessary to explore new forms of management that could serve as an alternative to conventional management. Based on these premises, two studies were designed for this thesis, both conducted in vineyards in the Community of Madrid: (A) a long-term trial (2008-2018) in which three weed management methods were compared (herbicide, tillage, mowing) and two positions depending on whether there was irrigation (row) or not (inter-row), in order to analyse their effect on the composition, taxonomic diversity, functional diversity and functional structure of weed communities, also measuring vineyard yield; and (B) a trial including different living mulches in the vineyard rows, in order to assess whether their use could be applied to suppress the development of particularly noxious weeds without compromising the optimal grapevine development.
Trial A experimental design was randomised block with four replications, including four management systems: S1) tillage in inter-rows, herbicide in rows; S2) tillage in inter-rows and rows; S4) mowing in inter-rows, herbicide in rows; and S5) mowing in inter-rows and rows. During 2015-2018, plant surveys were systematically conducted. Of all the species sampled, 29 herbaceous species with a significant presence were selected. Subsequently, data were collected on 10 functional traits related to plant response to agricultural management: five vegetative traits (e.g. plant height, specific leaf area) and five reproductive traits (e.g. seed mass, duration of flowering period). Based on the field data and the data compiled, the effect of weed management and irrigation on different aspects of the plant communities was analysed: 1) plant community composition focusing on two groups, noxious grapevine weeds (NGW) and therophytic grassland species (TGS); 2) plant taxonomic diversity, measuring beta-diversity (β), evenness (J') and species richness (S). Vineyard yield was also measured in order to analyse the relationship between taxonomic diversity and crop production. In addition, the percentage of bare soil, related to the degree of disturbance associated with each management, was explored as a potential predictor of taxonomic diversity and vineyard yield; 3) functional structure of plant communities, based on the community weighted mean (CWM) of the 10 functional traits collected, followed by RLQ and fourth-corner analyses to establish the relationship between traits and agricultural practices. Furthermore, by means of a cluster analysis, different functional groups could be formed, looking at their association with weed management and irrigation; and subsequently the similarity between the CSR strategy and the functional structure of plant communities was examined; 4) the three basic dimensions of functional diversity: functional richness, functional evenness and functional divergence. Thus, different functional diversity indices (FRic, FEve, RaoQ) were measured on the basis of the 10 functional traits. Subsequently, null models were used to calculate two new indices (ES Fric, ES RaoQ). ES RaoQ values were used to detect trait convergence and divergence processes.
Trial B experimental design consisted of randomised blocks with four replications and six treatments, including two controls: i) untreated control (UC); ii) weed free control (WC); and four under-vine living mulches: iii) Festuca ovina (FO); iv) Pilosella officinarum (PO); v) Plantago coronopus (PC); and vi) Plantago lanceolata (PL). This trial was carried out for three years in two experimental farms, where we monitored: a) the percentage cover of the living mulches, as a possible predictor of the success of this method to suppress weeds; b) weed density and weed biomass, with special attention to noxious grapevine weeds (e.g. Erigeron canadensis); and c) pruning weights, which were measured only in the last year to analyse the cumulative effect of the different treatments on the grapevine vegetative growth.
Based on the results obtained, several conclusions can be drawn. Firstly, plant community composition was affected by weed management and, to a lesser extent, by the use of irrigation. Thus, NGW species were more abundant in the herbicide-treated rows, while TGS species were more prevalent in mown inter-rows. Regarding taxonomic diversity, mowing favoured richer and more homogeneous communities, with significantly lower beta diversity than tillage and herbicide. Mown inter-rows, dominated by Medicago minima, showed the lowest values of taxonomic evenness. In addition, the percentage of bare soil proved to be a good predictor of both taxonomic diversity and vineyard yield, such that higher species richness was associated with lower percentages of bare soil (mown subplots), while the lowest values of species richness were found in areas with a high percentage of bare soil (tilled subplots). Subplots sprayed with herbicide showed intermediate values of bare soil and a species richness dependent on the adjacent management. On the other hand, the higher the percentage of bare soil, the higher the vineyard yield. Thus, management systems with tilled inter-rows (S1, S2) showed high yields, while management systems with mown covers in the inter-rows (S4, S5) showed the lowest yields, although their grape production was within the maximum limit established by the Regulatory Council of the DOP "Vinos de Madrid".
Tillage and mowing were the main factors conditioning the functional structure of plant communities. In general, weed management significantly affected traits related to leaf economy (e.g. specific leaf area) and certain regenerative traits, while irrigation influenced traits related to plant size. Phenological traits (e.g. onset of flowering) were found to be a key factor in understanding the response of plant communities to agricultural management practices. Up to five functional groups associated with these practices were identified. A consistent relationship was also observed between the functional structure of plant communities, agricultural management and CSR strategy: irrigation favoured species with a more competitive strategy, mowing favoured species with higher stress tolerance and tillage favoured typically ruderal species.
Weed management and irrigation also had a significant effect on the functional diversity of plant communities. For example, mowing resulted in greater functional richness, but also acted as a strong functional filter for most of the traits studied, leading them to be functionally convergent. Tillage filtered out some vegetative traits, while favouring the divergence of certain reproductive traits. Herbicide treatment caused the highest values of functional divergence by promoting the presence of more competitive species, which have the most divergent values for some traits. The application of irrigation in vineyard rows resulted in functional divergence processes in those vegetative traits related to resource acquisition, as well as in seed mass. These results indicate that higher functional diversity (usually estimated by RaoQ) may be associated with the presence of more competitive species (e.g. Convolvulus arvensis, Sonchus asper) with more extreme values for some functional traits. As these species are considered detrimental to many crops, higher functional diversity may not be a desirable indicator in agroecosystems.
Finally, this dissertation has revealed that living mulches with high coverage rates (average over 70 %) were effective for weed suppression (up to 95 %), particularly for noxious grapevine weeds such as E. canadensis. No significant effect of the different treatments on the grapevine vegetative growth was found, although further studies are needed. Based on these results, it could be stated that under-vine living mulches are an effective and environmentally friendly method for weed control in Mediterranean vineyards, when irrigation can be applied on the rows.