Tesis:
Ammonia emission from fertiliser application: Quantification techniques and mitigation strategies.
- Autor: SANZ COBEÑA, Alberto
- Título: Ammonia emission from fertiliser application: Quantification techniques and mitigation strategies.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
- Departamentos: QUIMICA Y ANALISIS AGRICOLA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/7200/
- Director/a 1º: VALLEJO GARCIA, Antonio
- Resumen: La conjunción de la necesidad creciente de satisfacer los requerimientos alimenticios y energéticos de una población mundial en continuo crecimiento, y las limitaciones que atañen al aumento de la superficie agrícola, parece hacer necesaria, si no se limitan la producción y consumo de recursos hoy imperantes, una intensificación de los sistemas agrícolas. Proceso que, en la mayoría de los casos estaría fundamentado en un incremento en el uso de fertilizantes sintéticos. A nivel global, las pérdidas de nitrógeno (N) por volatilización de amoniaco (NH3) pueden llegar a alcanzar el 70% del N aplicado en al ámbito agrícola, variando en función de las condiciones de manejo del cultivo, climáticas y del suelo. Este hecho, además de una pérdida notable en la efectividad del fertilizante aplicado, es responsable de un impacto medioambiental negativo asociado a la acidificación y el enriquecimiento en nutrientes de ecosistemas naturales, así como problemas de salud pública ligados a la formación de partículas en suspensión. Para dar respuesta a esta situación, las Naciones Unidas y la Unión Europea han impulsado iniciativas legales tendentes a controlar y reducir las emisiones de NH3 debidas a la fertilización nitrogenada. En este sentido, especial atención ha recibido la urea, debido a las importantes pérdidas de NH3 asociadas a su generalizado uso, y al subsiguiente mayor potencial mitigador de las medidas dirigidas a este tipo de fertilizante. Entre las estrategias de mitigación propuestas, que habrán de implementarse teniendo siempre en consideración las características climáticas y edáficas específicas de cada caso, así como las sinergias que puedan existir entre la mitigación de las emisiones de NH3 y otros componentes del ciclo del N, destacan aquellas tendentes a aumentar el contacto entre el amonio (NH44) procedente de la hidrólisis de la urea y el coloide del suelo, así como, más recientemente, el uso de inhibidores de la actividad ureasa, compuestos que ralentizan el proceso de hidrólisis, limitando así la proporción de NH4+ en la solución del suelo cercana a la superficie y susceptible de ser transformado en NH3. En todo caso, un paso previo e indispensable a la propuesta de cualquier estrategia de mitigación de las emisiones de NH3 debidas a la fertilización nitrogenada es la cuantificación efectiva de las mismas. En este sentido, se han desarrollado numerosas técnicas de cuantificación de las emisiones del NH3 volatilizado tras la fertilización. Estas técnicas se clasifican en dos grupos diferenciados en función del tipo de estudio al que esté destinado su uso. Mientras que los llamados métodos de cámaras cerradas (estáticos y de difusión) se dirigen a estudios comparativos realizados en parcelas de pequeño tamaño, los métodos micrometeorológicos, que no afectan a las condiciones medioambientales de la zona de estudio y son sensibles a las variaciones meteorológicas, son ideales para realizar estudios en áreas experimentales de grandes dimensiones (p. ej. 1 ha). En este contexto, el objetivo general de esta tesis ha sido la propuesta de técnicas efectivas para la mitigación de emisiones de NH3, debidas a la fertilización en superficie con urea, basadas en medidas realizadas bajo condiciones reales de campo, utilizando métodos micrometeorológicos de bajo coste. Para conseguir este objetivo, se han desarrollado cinco estudios experimentales, tanto en campo (4) como en el laboratorio (1). Así mismo, en base a estos resultados experimentales, se creó un modelo conceptual con el objetivo de definir y describir los principales factores que determinan las emisiones de NH3 debidas a la fertilización con urea en un suelo semiárido; así como el efecto de distintas estrategias de mitigación sobre dichas emisiones en estas condiciones. En el primer estudio de campo, realizado en un suelo desnudo y arado de la provincia de Segovia, se procedió a la cuantificación de las emisiones de NH3 producidas en el proceso de volatilización, ocurrido tras la fertilización en superficie con purín de cerdo digerido (110 kg N ha") de una parcela rectangular de grandes dimensiones, utilizando para ello el método micrometeorológico IHF, considerado por varios autores como el método micrometeorológico de referencia. Los resultados obtenidos fueron comparados con aquellos estimados mediante la técnica de dispersión inversa bLS (backward Lagrangian Stochastic, en sus siglas en inglés). Con los resultados obtenidos, se pudo afirmar que el uso de este método de dispersión inversa resulta una alternativa fiable, de requerimientos técnicos y bajo coste, en la estimación de las emisiones de NH3 procedente de grandes parcelas (1 ha), aún cuando se utilizan largos intervalos de muestreo (p. ej. 24 h). En un posterior estudio, realizado en condiciones de laboratorio, se procedió a la evaluación de dos inhibidores de la actividad ureasa como mecanismos de reducción de las emisiones de NH3 asociadas a la fertilización con urea en superficie. De este modo, la efectividad del N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) y el phenil phosphorodiamidate (PPDA) para reducir las pérdidas de NH3 debidas a la fertilización con urea fue evaluada. Los resultados de este estudio mostraron que ambos inhibidores se mostraron efectivos, mitigando las emisiones de NH3 en un 57.5 y 48.5%, respectivamente. Un segundo objetivo de este experimento fue la cuantificación de las emisiones de gases de efecto invernadero, con especial atención a las emisiones de óxido nitroso (N20), debidas a la fertilización con urea y al posible efecto mitigador asociado al uso de los inhibidores mencionados. En este sentido, el NBPT y el PPDA redujeron significativamente las emisiones de N2O en un 75 y 29%, respectivamente. Hecho que se consideró debido a la predominancia de la nitrificación sobre la desnitrificación en la producción de N2O durante el periodo de muestreo, unido al efecto de ambos compuestos sobre la hidrólisis de la urea, ralentizándola, y la consiguiente menor presencia de NH4, susceptible de ser nitrificado, en la solución del suelo. En base a los resultados obtenidos en los dos estudios descritos anteriormente, se plantearon dos ensayos de campo bajo condiciones diferenciadas, uno en primavera (cultivo de girasol) y el segundo en condiciones propias del invierno (cultivo de cebada), en los que, se evaluó la capacidad mitigadora del NBPT sobre las emisiones de NH3, medidas con el método IHF, asociadas a la fertilización con urea en superficie. Los resultados obtenidos mostraron que el NBPT redujo la actividad ureasa del suelo durante los 9 días siguientes a su aplicación en ambos cultivos. La reducción de la actividad ureasa ralentizó la hidrólisis de la urea, hecho que dio lugar a una mitigación efectiva de las emisiones de NH3 en un 42 y 57.5 % respecto a la urea, en los cultivos de girasol y cebada, respectivamente. En todo caso, las emisiones de NH3 debidas a la aplicación de urea fueron más bajas de lo esperado (17.3 ± 0.5 kg NH3-N ha"1 y 8 ± 0.96 kg NH3-N ha"1, en primavera e invierno, respectivamente. Este hecho se asoció a la conjunción de factores relativos al manejo, las condiciones medioambientales y del suelo. Así mismo, en este estudio, descrito en el capítulo 5, se observó la importancia que un riego de 10 mm, aplicado inmediatamente después de la fertilización del cultivo de girasol, podría tener reduciendo emisiones de NH3. Finalmente, y fundamentado en las conclusiones anteriores, se determinó realizar un nuevo estudio de campo en el que la efectividad en la mitigación de las emisiones de NH3 asociada al uso de NBPT fue comparada con aquella relativa a la aplicación de distintas dosis de riego inmediatamente después de la fertilización con urea. Este estudio de campo, de carácter comparativo, se realizó en pequeñas parcelas experimentales del centro de investigación británico North Wyke Research, utilizando el método de túneles de viento para la cuantificación de NH3. Los resultados obtenidos mostraron que la adición de agua inmediatamente después de la fertilización con urea en superficie produjo, en función de la dosis y frecuencia de aplicación, efectos contrarios sobre la volatilización de NH3. Así, mientras que la aplicación de dos riegos de 3 mm, uno tras la fertilización y el segundo una semana después de la misma, aumentó en un 8% las emisiones de NH3, la aplicación de un único riego de 7 mm, inmediatamente después de la aplicación de la urea, fue tan efectiva en la mitigación como el uso del inhibidor de la actividad ureasa NBPT, con un 77% de reducción de las emisiones de NH3 en ambos casos. Finalmente, y en base a los resultados de volatilización de NH3 y evolución del N mineral del suelo mostrados en la presente tesis, se desarrolló un modelo conceptual con el objetivo de determinar y describir visualmente la influencia de los principales factores que afectan a las emisiones de NH3 procedentes de un suelo semiárido fertilizado con urea en superficie. Este modelo permitió entender mejor las transformaciones simultaneas y los movimientos de la urea y pools de N asociados a su hidrólisis (p. ej. NH4 NO3, N2O and NH3), acercándonos a un mayor conocimiento a cerca de los procesos y factores que determinan las emisiones de NH3 permitirá implementar, en base a resultados experimentales obtenidos en condiciones reales, estrategias de mitigación efectivas que permitan alcanzar los objetivos de emisión de NH3 en el ámbito agrícola. En este sentido, se concibieron cuatro escenarios distintos para el modelo que, junto al mencionado de fertilización ureica en superficie, pretendían considerar los procesos y factores que intervienen en el proceso de volatilización de NH3 cuando se implementan estrategias de mitigación de emisiones como la adicción de agua, el uso de inhibidores de la actividad ureasa o la conjunción de ambas medidas. Considerando los resultados de esta tesis se puede concluir que la mitigación efectiva de las emisiones de NH3 debidas a la fertilización con urea es posible, en las condiciones de los estudios de campo realizados, medíante el uso de inhibidores de la actividad ureasa y de la adicción de un riego de 7 mm tras la fertilización. Así mismo, la evaluación de la capacidad del inhibidor de la actividad ureasa NBPT, como mecanismo mitigador de las emisiones de NH3, se realizó por vez primera en un país de clima mediterráneo y una vez que las pérdidas del NH3 volatilizado fueron cuantificadas en condiciones reales de campo mediante el método micrometeorológico IHF, de uso pionero en nuestro país. Esto último ha permitido dotar a la escasa base de datos existente en España, relativa a las emisiones de NH3 debidas a prácticas agrícolas como la fertilización con purín y urea en superficie, de datos de emisión medidos en condiciones reales de campo. En el caso de las emisiones estimadas debidas a la fertilización con purín en superficie fueron del orden de 20 kg N ha1, emisión similar a la propuesta en el inventario CORINAIR para las condiciones del estudio. En el caso de la urea, las emisiones medidas han sido menores de lo esperado (factor de emisión de 0.2 según CORINAIR), probablemente debido a la conjunción de variables edáficas, climáticas y de manejo. A nivel global, la implementación de métodos de mitigación de emisiones de NH3 procedentes del sector agrícola ha sido considerada recientemente, junto con la reducción del contenido proteínico de los piensos del ganado y de una fertilización balanceada, como las tres vías más importantes para lograr una reducción integrada de las pérdidas de N que tienen lugar en los sistemas agroganaderos. Así mismo, los resultados aquí mostrados sobre la mitigación de las emisiones de N2O mediante el uso de inhibidores de la actividad ureasa, abren un nuevo camino para la mitigación de estas emisiones.