Tesis:
Assessing nitrogen transformations, nitrogen fate and mechanisms for nitrous oxide emissions under Mediterranean conditions
- Autor: GARCÍA GUTIÉRREZ, Sandra
- Título: Assessing nitrogen transformations, nitrogen fate and mechanisms for nitrous oxide emissions under Mediterranean conditions
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: QUIMICA Y TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89171/
- Director/a 1º: GARCÍA MARCO, Sonia
- Director/a 2º: GUARDIA VÁZQUEZ, Guillermo
- Resumen: Agriculture is the largest anthropogenic source of nitrous oxide (N2O), one of the main greenhouse gases and stratospheric ozone depleting substances. Addressing N2O emission drivers in agricultural systems is essential for implementing cost-effective mitigation strategies. Isotopic 15N tracing techniques provide a robust tool for identifying N2O emission sources and the fate of applied nitrogen (N).
The main objective of this thesis is to evaluate sustainable agricultural practices that integrate crop residue management and N fertilization strategies in rainfed and irrigated Mediterranean agroecosystems, with the aim of mitigating N2O emissions without compromising crop yields, focusing on the mechanisms involved in N cycle transformations.
The first experiment to address this objective consisted of a microplot 15N tracing study with winter barley (Hordeum vulgare L.) under rainfed conditions. Conventional tillage and no-tillage systems were combined with the application of 15N-labeled ammonium nitrate (15NH4NO3 or NH415NO3), with or without the nitrification inhibitor (3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl) succinic acid isomeric mixture (DMPSA). The second experiment examined the combined effects of maize (Zea mays L.) residue input and cover crops (barley or vetch, Vicia sativa L.) compared to bare fallow in an irrigated maize cash crop under integrated soil fertility management. The third experiment consisted of a microplot 15N tracing study with maize preceded by the same cover cropping treatments as in Experiment 2. The microplots were amended with 15Nenriched maize residues or 15Nlabeled fertilizer (15NH4NO3 or NH415NO3). The fourth experiment consisted of a 15N tracing study conducted in a pre-alpine grassland to quantify N recovery, N2O and dinitrogen (N2) fluxes, and to identify key N transformation processes responsible for N2O emissions.
The results of Experiment 1 showed that DMPSA significantly reduced N2O emissions derived from both endogenous soil N and fertilizer-derived N during the cropping period. However, most N2O was emitted during a postharvest rewetting event, where DMPSA had no effect. No tillage enhanced crop N uptake, while DMPSA increased soil N recovery in the upper layer. In Experiment 2, higher maize residue input reduced N2O emissions before maize fertilization but increased them afterward compared to the low residue input treatment. Cover crops significantly affected N2O emissions only after their incorporation, with higher emissions in barley compared to bare fallow. Most N2O was emitted during maize cropping phase, particularly after synthetic N fertilization, favored by high soil moisture and cover crop decomposition. Integrated fertilization reduced maize yield by 7% when preceded by vetch cover crop. Results from Experiments 1 and 3 indicated that ammonium oxidation-based processes were the main sources of N2O emissions in both rainfed and irrigated Mediterranean croplands. Endogenous soil N was quantitatively relevant for N2O fluxes, even after synthetic N application, whereas maize residues had a negligible contribution to N2O emissions (< 7%). Fertilizer N recovery in rainfed barley averaged 23%, whereas N recovery in maize was higher with barley cover crops (42%) compared to bare fallow (26%). In the pre-alpine grassland experiment, N2 was the dominant gaseous N loss from the soil-plant system. Denitrification accounted for 62% of cumulative N2O emissions, with higher contribution after fertilization. Of the applied N, 37% was recovered in plants and 54% in soil.
The findings of this thesis may contribute to improve the understanding and quantification of N use efficiency and N2O emission inventories under contrasting environmental and management conditions. These insights are highly valuable for researchers, as well as for stakeholders and policymakers aiming to develop sustainable, site-specific N2O mitigation practices based on conservation agriculture and N fertilization practices.
RESUMEN
La agricultura es la principal fuente antropogénica de óxido nitroso (N2O), uno de los principales gases de efecto invernadero, precursor de la destrucción de la capa de ozono. Determinar las causas de estas emisiones en sistemas agrícolas es esencial para aplicar estrategias de mitigación rentables. Las técnicas isotópicas de 15N son herramienta clave para identificar las fuentes de emisión de N2O y el destino del nitrógeno (N) aplicado.
El objetivo principal de esta tesis es evaluar prácticas agrícolas sostenibles combinando manejo de residuos de cultivos y estrategias de fertilización nitrogenada en agroecosistemas mediterráneos de secano y regadío, con el propósito de mitigar las emisiones de N2O sin afectar a los rendimientos de los cultivos, profundizando en las transformaciones del N.
El primer experimento para alcanzar este objetivo consistió en un ensayo de trazado de 15N en microparcelas con cebada de invierno (Hordeum vulgare L.) en secano. Se combinó laboreo convencional y no laboreo con la aplicación de nitrato amónico enriquecido con 15N (15NH4NO3 o NH415NO3), con o sin el inhibidor de la nitrificación ácido 2-(N-3,4-dimetil-1H-pirazol-1-il) succínico (DMPSA). El segundo experimento evaluó la incorporación de residuos de maíz (Zea mays L.) y cultivos cubierta (cebada y veza, Vicia sativa L.), comparados con barbecho) en maíz de regadío con manejo integrado de la fertilización. El tercer experimento consistió en un estudio de trazado de 15N en microparcelas en un cultivo de maíz precedido por los mismos cultivos cubierta del Experimento 2. En las microparcelas se aplicaron residuos de maíz enriquecidos con 15N o fertilizante enriquecido en 15N (15NH4NO3 o NH415NO3). El cuarto experimento consistió en un ensayo de trazado de 15N en un pastizal pre alpino para cuantificar la recuperación de N, los flujos de N2O y nitrógeno molecular (N2), y los procesos de transformación del N responsables de las emisiones de N2O.
En el Experimento 1, el DMPSA redujo las emisiones de N2O derivadas del N endógeno del suelo y del fertilizante durante el período de cultivo de cebada. Sin embargo, la mayor parte del N2O se emitió en un pico post cosecha, sin efecto del DMPSA. El no laboreo mejoró la absorción de N por el cultivo, y el DMPSA aumentó la retención de N en la capa superficial del suelo. En el Experimento 2, la mayor incorporación de residuos de cosecha redujo las emisiones de N2O antes de la fertilización del maíz, aumentándolas posteriormente. La incorporación de los cultivos cubierta produjo mayores emisiones de N2O con cebada que en barbecho. La mayoría de las emisiones ocurrieron durante la fase de cultivo del maíz, especialmente tras la fertilización, favorecidas por la humedad del suelo y la descomposición de los cultivos cubierta. Los resultados de los Experimentos 1 y 3 indican que los procesos derivados de la oxidación del amonio fueron la principal fuente de emisión de N2O en los sistemas agrícolas mediterráneos. El N del suelo contribuyó significativamente a los flujos de N2O, mientras que la contribución de los residuos de maíz fue escasa (< 7%). La recuperación media del N del fertilizante fue del 23% en cebada, y del 33% en maíz, con mayor recuperación con cebada como cultivo cubierta, comparado con barbecho. En el pastizal pre alpino, el N2 fue la principal pérdida de N gaseoso. La desnitrificación representó el 62% de las emisiones de N2O. El 37% del N del fertilizante fue recuperado por el cultivo, y el 54% permaneció en el suelo.
Los hallazgos de esta tesis pueden contribuir a mejorar la eficiencia del uso del N y los inventarios de emisiones de N2O en distintos sistemas de cultivo. Estos conocimientos son de gran valor en el ámbito científico, así como en el sector agrícola y para las administraciones públicas de cara al desarrollo de políticas de mitigación de N2O, promoviendo la agricultura de conservación y estrategias de fertilización sostenibles y adaptadas a las condiciones locales.