Tesis:
Biological and other soil parameters response to winter cover crops in a mediterranean irrigated system
- Autor: GARCÍA GONZÁLEZ, Irene
- Título: Biological and other soil parameters response to winter cover crops in a mediterranean irrigated system
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
- Departamentos: PRODUCCION AGRARIA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/45771/
- Director/a 1º: HONTORIA FERNANDEZ, Chiquinquira
- Director/a 2º: QUEMADA SAENZ-BADILLOS, Miguel
- Resumen: El reemplazo del tradicional barbecho de otoño-invierno por cultivos cubierta (CC) ha permitido la obtención de beneficios tanto a nivel de suelo como a nivel del cultivo principal. El estudio de la actividad microbiológica es un factor muy importante para llegar a comprender las interacciones suelo-planta y poder prever los cambios que se produzcan a corto plazo debido a las modificaciones en el manejo del sistema agrícola. La investigación se ha llevado a cabo en dos zonas de clima y suelos contrastados, una en España bajo condiciones mediterráneas y otra en Holanda bajo clima oceánico templado. La mayor parte del trabajo se ha realizado en un ensayo de campo de larga duración en Aranjuez (Madrid) con clima Mediterráneo semiárido. El ensayo se estableció en 2006 bajo condiciones de mínimo laboreo, en un suelo básico con signos de degradación producidos por el empleo continuado de laboreo convencional y monocultivo de maíz propio de la zona. Los tratamiento de invierno fueron: cebada (Hordeum vulgare L.), veza (Vicia villosa L. o V. sativa L.) y suelo desnudo como control. Durante los meses de verano, los cultivos principales fueron maíz (Zea mays L.) o girasol (Helianthus annuus L.) en regadío. Para evaluar los cambios en la calidad biológica del suelo en respuesta al nuevo manejo se decidió, por un lado analizar la evolución a largo plazo de una serie de parámetros biológicos y por otro lado se realizó un estudio detallado de la actividad de los hongos micorrícicos arbusculares (HMA) en suelo y planta. En la primera parte se seleccionaron un conjunto de indicadores biológicos relacionados con la calidad del suelo para evaluar el efecto de los CC durante los diez años del ensayo de campo. Se determinaron actividades enzimáticas del suelo, C de la biomasa microbiana, las fracciones fácilmente extraíble y la total de la glomalina, respiración del suelo, así como el contenido en C orgánico. En la segunda parte, se estudió el efecto que producían los CC en la actividad de los HMA durante el siguiente cultivo en las variables directamente relacionadas con los HMA: colonización micorrícica, longitud del micelio externo y número de esporas. Además, también se analizaron otras dos variables que están relacionadas de una manera más indirecta con los HMA: la fracción fácilmente extraíble de la glomalina y la actividad de la β-glucosaminidasa. Durante el desarrollo del cultivo principal también se obtuvieron parámetros nutricionales en el suelo (P disponible) y en planta (concentración de N, P y C), así como medidas de altura de la planta y rendimiento. Estos parámetros se midieron durante varias fechas para evaluar la duración de los efectos positivos de los CC a lo largo el crecimiento del cultivo principal. El efecto en la colonización micorrícica de las raíces del cultivo principal es distinto dependiendo de si el CC es una leguminosa, una gramínea o una crucífera. Las mayoría de las especies de esta última familia no pueden formar asociaciones micorrícicas debido a sustancias antifúngicas presentes en las raíces. Así pues, la micorrización podrá variar dependiendo de las distintas especies de CC, condiciones climáticas, tipo de suelo y también de los propios cultivos en los que se esté analizando. Por ello, en un segundo ensayo de campo bajo condiciones propias de un clima oceánico templado, se estudió el legado de varios CC en la colonización micorrícica de las raíces de dos cultivos principales, avena (Avena sativa L.) y endivia (Cichorium endivia L.). Los tratamientos de invierno fueron: monocultivos de rábano (Raphanus sativus L.), veza (V. sativa L.), trébol (Trifolium repens L.) y raigrás (Lolium perenne L.), mezclas de rábano+veza y raigrás+trébol y suelo desnudo. En el ensayo de larga duración, los parámetros biológicos y el contenido en C orgánico total del suelo se vieron estimulados con la sustitución del barbecho por los CC. Las fracciones fácilmente extraíble y total de la glomalina fueron parámetros que respondieron a los dos años tras la introducción de los CC (en el año 2008). A continuación, en el año 2010 se observaron aumentos en las actividades de la β-glucosaminidasa y deshidrogenasa y en la respiración del suelo. El C de la biomasa microbiana no incrementó su contenido tras los CC hasta el 2012, cuando también lo hizo el C orgánico total. La mayoría de los parámetros fueron mayores en los primeros 5 cm del suelo en comparación con la segunda profundidad (5-20 cm). En general, se pudo ver cómo tras la implantación de los CC y el mínimo laboreo en el 2006, los indicadores bioquímicos de calidad del suelo fueron mejorando con el paso de los años bajo condiciones de clima Mediterráneo. La velocidad de respuesta de dichos parámetros fue muy diferente y el efecto llegó a ser más notable en la capa superficial. La actividad micorrícica en el ensayo en clima Mediterráneo se vio afectada por el uso de CC. En las dos campañas de maíz (2012-2013 y 2013-2014), la cebada consiguió incrementar un 19% la colonización micorrícica en el maíz, un 85% la longitud de las hifas y un 64% el número de esporas respecto al suelo desnudo. La veza en cambio no mostró mejoras en la mayoría de los parámetros micorrícicos. La fracción fácilmente extraíble de la glomalina obtuvo fuertes correlaciones con las variables directamente relacionadas con los HMA, lo que ha motivado su inclusión como un indicador más de la actividad micorrícica. Ambos CC contribuyeron a una mejora de la estabilidad de agregados debido en parte a los incrementos en la longitud de hifas y a la glomalina. El aumento de la actividad de los HMA encontrado en el tratamiento de la cebada condujo a incrementos en la concentración de P en la planta del maíz durante las primeras etapas de desarrollo. Fue el tratamiento de la veza el que mostró una mayor concentración en N en planta y actividades enzimáticas más elevadas de la β-glucosaminidasa y la fosfatasa. El estudio de las variables micorrícicas en varias fechas durante el crecimiento del maíz mostró que la colonización micorrícica fue el parámetro más afectado por la fecha de muestreo mientras que el resto de parámetros mantuvieron las diferencias entre tratamientos a lo largo del tiempo. En el ensayo en clima templado, se obtuvieron similares resultados que en el ensayo en clima mediterráneo respecto a la colonización micorrícica entre gramíneas, leguminosas y suelo desnudo. Es decir, la gramínea estimuló la micorrización en los cultivos principales mientras que las leguminosas no se diferenciaron del suelo desnudo. En general, los tratamientos de raigrás y la mezcla raigrás+trébol tuvieron las colonizaciones más altas en comparación con el resto de tratamientos (un 60% más alto en el caso de la avena y 188% en la endivia comparado con el suelo desnudo). En la combinación de raigrás+trébol no se notó ninguna mejora en la micorrización comparado con el monocultivo de raigrás, a pesar de ser una mezcla gramínea-leguminosa. En las raíces de la avena se observó que el rábano produjo un efecto negativo en la colonización, disminuyendo un 5 1% en comparación con el suelo desnudo. La incorporación de la leguminosa en la mezcla rábano+veza tampoco llegó a contrarrestar los efecto negativos del rábano (49% menor que el suelo desnudo). La sustitución del barbecho por los CC junto con una reducción en el laboreo comprende una buena práctica agrícola que puede mitigar, e incluso revertir, el efecto negativo derivado de la intensificación agrícola. Con este trabajo se demuestra que parte de los beneficios proporcionados por los CC en la calidad del suelo y crecimiento de la planta son debidos a la mejora de los parámetros biológicos, particularmente debido a la estimulación de los HMA. ABSTRACT Replacing the traditional fall-winter fallow with cover crop (CC) contributes to benefit both soil and the subsequent plant systems. The study of soil microbial activity is an important aspect to understand soil-plant interactions and to monitor the effect produced by changes of management practice in a short term. The research was carried out in two areas with different climates and soil characteristics. The first area was in Spain under Mediterranean conditions and the second in The Netherlands with a temperate oceanic climate. The main study for this work was carried out in a long-term field experiment in Aranjuez (Madrid) with a Mediterranean semiarid climate. The trial was established in 2006 with minimum tillage in an area with an alkaline soil and symptoms of soil degradation due to conventional tillage and maize monoculture, which are common practices in the area. The winter treatments were: barley (Hordeum vulgare L.), vetch (Vicia villosa L. or V. sativa L.) and fallow. During the summer, the main crops were maize (Zea mays L.) or sunflower (Helianthus annuus L.). The biological soil quality indicators were evaluated on the one hand through a selection of soil biological parameters over the years, and on the other hand through a detailed study of the arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in the soil and plants. In the first stage, different biological indicators were selected to evaluate the CC effect during the long-term field experiment (10 years). Enzymatic activities, microbial biomass C, both easily extractable and total glomalin fractions were evaluated in the soil along with soil respiration and also the total organic C content. In the second stage, the CC effect on the AMF activity in the subsequent main crop was studied in variables directly related to AMF: mycorrhizal colonization, length of hyphae and AMF spores. In addition, there were other two variables indirectly related to AMF: the easily extractable glomalin-related soil protein and the β-glucosaminidase activity. Nutritional parameters in the soil (available P) and plant (N, P and C concentrations) and maize height were obtained during the main crop, and yield at harvest. Those parameters were measured to monitor the positive CC effect in several sampling dates during the main crop growth. Cover crop species affect the mycorrhizal activity in different ways in the subsequent main crop. Legumes and grasses are common AMF hosts, but there are other species that cannot form mycorrhizal symbiosis, such as crucifers. Mycorrhizal colonization might vary depending on the different CC species used, climatic and soil conditions and also on the main subsequent crop. Therefore, the legacy of different CC on the AMF colonization in two subsequent crops was studied in a second field experiment under temperate oceanic climate. The winter treatments were: fallow, perennial ryegrass (Lolium perenne L.), white clover (Trifolium repens L.), vetch (V. sativa L.) and radish (Raphanus sativus L.), and the mixtures ryegrass+clover and radish+vetch. The mycorrhizal colonization was studied in the roots of two main crops: oat (Avena sativa L.) and endive (Cichorium endivia L.). In the long-term experiment, the biological parameters and total organic C content were stimulated by the CC treatments. Both easily extractable and total glomalin fractions were the parameters earlier enhanced by CC (in 2008). Then, β- glucosaminidase and dehydrogenase activities and soil respiration showed improvements in 2010. Microbial biomass C did not show earlier increments than total organic C, both parameters were improved by both CC in 2012. Most of the parameters were higher in the first 5 cm depth compared with the second layer (5- 20 cm). Overall, after CC and minimum tillage establishment in 2006, the biological parameters related to soil quality increased through the long-term experiment under Mediterranean conditions. The response of these parameters was different and the effect was more notable in the upper layer. The mycorrhizal activity was affected by the CC used in the Mediterranean long-term experiment. In the two maize campaigns (2012-2013 y 2013-2014), barley improved the mycorrhizal colonization in maize by 19%, the length hyphae 85% and the AMF spores 64% compared with fallow. The vetch treatment, on the contrary, did not enhance most of the AMF parameters. The easily extractable glomalin fraction was correlated with the variables directly related to AMF, which contributed to include it as a variable directly related to AMF. Both CC contributed to improve the aggregate stability, due to increments in the length hyphae and glomalin content. The AMF stimulation by the barley CC enhanced shoot P concentration in the maize crop during the first growth stages. The vetch treatment had the highest shoot N concentration in maize plants and also β- glucosaminidase and phosphatase activities. The study of AMF parameters during various sampling dates showed that the mycorrhizal colonization was the parameter more sensitive to time. The differences on the other AMF parameters were constant over the time. In the study under temperate oceanic climate, similar results were obtained compared with the Mediterranean experiment. Differences on mycorrhizal colonization between grasses, legumes and fallow were similar in both trials. That means that the grass stimulated the micorrhization in both main crops while the legumes showed no differences with fallow. Overall, ryegrass and ryegrass+clover treatments had the highest colonization compared with the other treatments (increments of 60% in oat and 188% in endive compared with fallow). The mixture ryegrass+clover showed no improvements in the mycorrhizal colonization compared with ryegrass monoculture, despite being a grass-legume combination. In the oat roots, the radish CC negatively affected the mycorrhizal colonization, decreasing by 51% compared with fallow. The mixture radish+vetch did not counterbalance the negative effect of radish (49% lower than fallow). The replacement of fallow by CC together with tillage reduction constitutes good agricultural practice that can mitigate and even reverse negative effect derived from the intensification of cropping systems. This study demonstrates that part of the benefits provided by CC in soil quality and plant growth is through biological parameters enhancement and particularly via AMF stimulation.