Resumen de Respuesta del arroz a la fertilización con purín porcino en condiciones mediterráneas
1. INTRODUCCIÓN La producción porcina ha experimentado un incremento importante en los últimos años en España y con mayor intensidad en el nordeste (Cataluña y Aragón) (MAGRAMA, 2015), donde se concentra el 50% de la producción española (primera de la UE). Tradicionalmente, el purín porcino se ha aplicado a cultivos como cereales de invierno o maíz, pero debido al incremento de la producción de purines debe incluirse en los planes de fertilización de otros cultivos como el arroz. La eficiencia de uso de los nutrientes del purín y los efectos ambientales derivados de su aplicación al cultivo de arroz es bastante diferente de otros cereales por las condiciones anaerobias específicas de este cultivo (Buresh et al., 2008). Por ejemplo, cuando el purín se aplica al maíz, la práctica más recomendada es aplicar dosis de nitrógeno (N) bajas en presiembra y complementar con N mineral en cobertera (Berenguer et al., 2008; Yagüe y Quílez, 2010) ya que los procesos de mineralización del N orgánico y nitrificación del amonio están favorecidos, y existe un alto riesgo de lavado del nitrato con las lluvias habituales en la época de primavera o los riegos iniciales más ineficientes. En el caso del cultivo del arroz, las parcelas se inundan tras la aplicación del purín o del fertilizante ureico. Debido a las condiciones reductoras, el proceso de nitrificación del amonio no tiene lugar, por tanto, se evitan en gran medida las pérdidas asociadas a los procesos de nitrificación-lixiviación y por otro lado, la mineralización del N orgánico es más lenta (Aulakh et al., 2000).
Numerosos trabajos han estudiado la fertilización nitrogenada en arrozales inundados, la mayoría de ellos en Asia, donde las prácticas agronómicas y la climatología son diferentes a las de España; además, muchos de ellos se han centrado en la aplicación de fertilizantes minerales (Haefele et al., 2008; Sun et al., 2012). Existen estudios que han evaluado el valor fertilizante de productos orgánicos como la gallinaza (Gu et al., 2009; Myint et al., 2010), estiércol de vaca (Myint et al., 2010) o estiércol de porcino sólido (Pan et al., 2009). Sin embargo, estos productos presentan composiciones diferentes al purín porcino, cuya concentración en Carbono (C) es baja y en el que la mayor parte del N se encuentra en forma amoniacal (Iguácel, 2006), directamente disponible para el cultivo. Sí que existen trabajos sobre la aplicación de purín de cerdo digerido mediante un proceso anaerobio (Anaeobically Digested Pig Slurry, ADPS). En estos estudios, se han obtenido rendimientos iguales o mayores en parcelas tratadas con ADPS en comparación con un tratamiento mineral con la misma dosis de N (Lu et al., 2012; Chen et al., 2013), pero no se ha evaluado la eficiencia de uso del N contenido en este producto. Para avanzar en la mejora de la fertilización del arroz inundado con purín porcino, es necesario generar conocimiento sobre la dinámica del N del purín y la disponibilidad del N en este sistema de cultivo y hacer una evaluación de la eficiencia de uso del N con distintas estrategias de fertilización.
Desde el punto de vista ambiental, los campos de arroz, debido a las condiciones de inundación, contribuyen de manera significativa al calentamiento global. En concreto, el 11 % de las emisiones antropogénicas de metano (CH4) a nivel mundial son debidas al cultivo del arroz (Ciais et al., 2013). En los arrozales inundados se emiten óxido nitroso (N2O) y metano (CH4) dependiendo fundamentalmente de los periodos de inundación-seca. Cuando el terreno está inundado, debido a las condiciones reductoras, puede tener lugar el proceso de desnitrificación mediante el cual los microorganismos desnitrificadores usan el nitrato como aceptor de electrones reduciéndolo a óxidos de nitrógeno o nitrógeno gas (N2) durante el proceso de respiración. A pesar de que el N2O es un potente gas de efecto invernadero (265 veces más potente que el CO2) (Myhre et al., 2013), su contribución al calentamiento global durante el periodo de inundación no es importante, puesto que en condiciones anaerobias estrictas, la desnitrificación se completa a N2 (Coyne, 2008). Por el contario, durante los periodos de inundación, el metano contribuye de manera significativa al calentamiento global, ya que se produce mediante el proceso de metanogénesis en el que tiene lugar la fermentación anaerobia de la materia orgánica (Ponnamperuma, 1972). En los periodos de seca, la situación pasa a ser la contraria; se producen picos de emisión de N2O asociados a los procesos de nitrificación y desnitrificación; sin embargo, las emisiones de metano disminuyen drásticamente (Lagomarsino et al., 2016). De manera global, las emisiones de metano son responsables de casi el 90 % del potencial de calentamiento global (Linquist et al., 2012b) de los campos de arroz inundados. A pesar de ello, es necesario el estudio de ambos gases de manera conjunta, puesto que las prácticas encaminadas a mitigar uno de los dos gases, aumentan las emisiones de otro y viceversa.
Las emisiones de GEIs de los campos de arroz se pueden ver afectadas por el tipo de fertilización (Linquist et al., 2012a). Cuando la fertilización mineral se sustituye por fertilización orgánica, los procesos de desnitrificación y metanogénesis se pueden ver favorecidos por el aporte adicional de carbono (C). Algunos estudios han demostrado que la aplicación de paja como enmienda orgánica en el cultivo de arroz inundado produce un aumento de las emisiones de metano (Bronson et al., 1997; Sanchis et al., 2012) debido al aporte de C; sin embargo, en el caso de las emisiones de N2O parece que el aporte de C puede promover el paso final en la desnitrificación, disminuyendo las emisiones de N2O y desplazando la reacción hacia la formación de N2 (Bronson et al., 1997; Wang et al., 2011). Puesto que las distintas enmiendas orgánicas tienen diferentes composiciones en cuanto a concentración de C, el efecto observado dependerá en gran medida del producto aplicado. Algunos estudios han evaluado el efecto de la aplicación de ADPS (muy parecido en composición y contenido de C al purín porcino fresco) comparativamente con la fertilización mineral en las emisiones de GEIs de arrozales inundados de Asia, obteniendo resultados contradictorios. Huang et al. (2014) encontró emisiones de metano significativamente más altas en los tratamientos en los que se aplicó ADPS en comparación con la fertilización mineral; sin embargo, en los estudios de Sasada et al. (2011) y Win et al. (2014), la aplicación de ADPS no produjo un incremento significativo de las emisiones de GEIs. El único estudio que ha evaluado, en una estación de cultivo, las emisiones de GEIs en la fertilización con purín porcino en condiciones mediterráneas (Maris et al., 2016), ha concluido que la aplicación de purín porcino a dosis agronómicas no produce un aumento del potencial de calentamiento global con respecto al tratamiento con la misma dosis de N mineral. El trabajo de Maris et al. (2016), se realizó sobre un único tipo de suelo y manejo y en esta tesis se pretende avanzar en los resultados de ese trabajo evaluando otros tipos de suelo-manejo.
Uno de los problemas al que nos enfrentamos a la hora de establecer las dosis de N adecuadas para cada cultivo es que éstas dependen del rendimiento potencial y éste a su vez está influenciado en gran medida por las condiciones particulares de cada año. Como consecuencia, se tiende a sobrefertilizar con N con el objetivo de que el rendimiento final no se vea comprometido. El uso de información espectral obtenida mediante imágenes o sensores remotos puede servir como herramienta para detectar el estado nutricional del cultivo y por lo tanto, como ayuda a la decisión de la fertilización durante la campaña, ayudando a evitar los problemas asociados a dosis excesivas de N. Para el cultivo de arroz, algunos autores han obtenido modelos que permiten el cálculo de las necesidades de N en cobertera a partir de estas relaciones (Xue et al., 2014; Xue and Yang, 2008; Yao et al., 2012). En condiciones mediterráneas, destacan los trabajos de Gilabert y Meliá (1990) y Casanova et al. (1998) y recientemente a través del proyecto ERMES, investigadores de España, Grecia e Italia están haciendo un esfuerzo importante para generar herramientas de soporte agronómico para los agricultores utilizando información espectral, estimando variables como índice de área foliar (LAI) o contenido de N de las hojas (Campos-Taberner et al., 2016; Confalonieri et al., 2015). Un aspecto que no se ha encontrado en ninguno de los trabajos revisados es la respuesta espectral comparativa del arroz fertilizado con fertilizantes minerales y productos orgánicos (como el purín porcino). Hay antecedentes de diferencias en la respuesta espectral entre la fertilización orgánica y la mineral en otros cultivos, como maíz (Yang et al. 2002) o trigo (Zhao et al., 2015). La evaluación de la respuesta espectral en la fertilización con purín porcino es esencial para desarrollar estrategias óptimas de ayuda a la fertilización que incluyan a este producto. En nuestras condiciones, se necesita generar más información que lleve al desarrollo de nuevas aproximaciones que mejoren las recomendaciones de N en cobertera, en especial a nivel regional, con el uso de imágenes aéreas de alta resolución que cubran grandes áreas y a través de un sistema económicamente viable para pequeños agricultores y también para grandes explotaciones.
Por tanto, para que el purín sea integrado de forma óptima en los planes de fertilización del arroz en condiciones mediterráneas es necesario llevar a cabo un estudio global, en el que se evalúe su valor fertilizante, así como otros aspectos que se puedan ver afectados por su aplicación, como la presencia de malas hierbas, plagas y enfermedades, la calidad del grano o las emisiones de gases de efecto invernadero. Por otro lado, es importante estudiar la posibilidad del uso de información espectral como herramienta de ayuda a la toma de decisiones dentro de los planes de fertilización, tanto para la fertilización con purín porcino como para la fertilización mineral.
2. OBJETIVOS El objetivo principal de este trabajo ha sido evaluar distintas estrategias de fertilización con purín porcino, en cultivo de arroz inundado en condiciones mediterráneas, para evaluar si los purines de porcino pueden sustituir a los fertilizantes minerales con los mismos resultados agronómicos y económicos y sin ocasionar un mayor impacto ambiental.
Los objetivos específicos planteados son los siguientes: 1. Evaluar dos estrategias de fertilización con purín porcino en fondo en comparación con la aplicación de fertilizante mineral, analizando la respuesta agronómica, la eficiencia del uso del nitrógeno y la calidad del grano.
2. Estudiar el efecto de la fertilización con purín porcino en comparación con la fertilización mineral sobre las emisiones de gases de efecto invernadero (GEIs) (dióxido de carbono, óxido nitroso y metano) en dos tipos de suelo con distintas condiciones de manejo.
3. Evaluar la utilidad del uso de imágenes multiespectrales para estimar las necesidades de N del cultivo y desarrollar modelos de recomendación de N en cobertera, incluyendo una evaluación de su viabilidad económica y sus externalidades.
3. METODOLOGÍA Para la consecución de los objetivos planteados en este trabajo se llevaron a cabo dos ensayos. El primero en Villanueva de Sigena (Huesca) durante tres años, donde se evaluó la respuesta agronómica, la emisión de GEIs y la viabilidad del uso de imágenes multiespectrales para la decisión de las dosis de fertilización nitrogenada en cobertera. La información sobre el efecto de la fertilización con purín sobre las emisiones las GEIs se complementó con un segundo ensayo en Grañén (Huesca) realizado en el año 2014 en una parcela con características de suelo y manejo contrastadas con respecto a las del ensayo de Villanueva de Sigena.
En el ensayo en la localidad de Villanueva de Sigena (Huesca) se evaluaron durante 3 años consecutivos (2011 2013) 3 estrategias de fertilización: 2 dosis de purín porcino en fondo equivalentes a 170 y 120 kg N amoniacal (N-NH4)/ha, y una dosis de fertilizante mineral en fondo de 120 kg N-NH4/ha; las 3 estrategias complementadas con fertilizante mineral en cobertera en un diseño split-plot con 4 repeticiones. En el ensayo en la localidad de Grañen (año 2014) se evaluaron dos estrategias de fertilización en fondo, purín y fertilizante mineral (urea) a dosis de 170 kg N-NH4/ha; que se cruzaron con tres dosis de N en cobertera y un tratamiento control sin aplicación de N en un diseño también en split-plot con 4 repeticiones.
La parcela de Villanueva de Sigena había sido cultivada con arroz los 3 años previos al ensayo, sin realizar la técnica del fangueo, mientras que la parcela de Grañén llevaba cultivándose con arroz más de 15 años realizando la labor de fangueo; además, el contenido de materia orgánica del suelo era mayor en Grañén (2.06%) que en Villanueva de Sigena (1.01%).
Para dar respuesta al primer objetivo se evaluó en el ensayo de Villanueva y en cada estrategia: la nascencia, la afección por malas hierbas y enfermedades, el rendimiento del cultivo, la calidad del grano, la absorción de N por la planta y los contenidos de N mineral (nitrato y amonio) en el suelo. Se obtuvieron las curvas de respuesta al N mineral, el equivalente mineral del N del purín, las eficiencias de uso del N y se calcularon los balances de N.
El efecto de los tratamientos y años y su interacción sobre las variables analizadas se realizó mediante análisis de varianza (General Linear Model, SAS 9.4 software) y en el caso de encontrarse diferencias significativas, éstas se establecieron con la prueba múltiple de Tukey a un nivel de significación p=0.05.
Para dar respuesta al segundo objetivo se realizaron en los ensayos en Villanueva de Sigena y Grañén, medidas de los flujos de N2O, CO2 y CH4 en tratamientos con purín y mineral fertilizados con dosis de N consideradas óptimas: 120 kg N/ha (purín porcino o mineral) en fondo complementado con 60 kg N/ha en cobertera o 170 kg N/ha (purín porcino o mineral) en fondo, y en un control sin aplicación de N. La toma de muestras se realizó mediante el método de la cámara cerrada. Las muestras se tomaron con una frecuencia de entre 7 y 10 días, que se aumentó en los momentos de drenaje del cultivo. Las concentraciones de N2O, CH4 y CO2 se cuantificaron utilizando la técnica fotoacústica (Innova 1412i Photoacoustic Multigas Monitor). En cada muestreo se midió la temperatura del suelo a 0.05 m y la altura de la lámina de agua (para calcular el volumen de la cámara ocupado por el aire), y en el 80 % de los muestreos se tomaron muestras de suelo de 0-0.01 m en las que se determinó las concentraciones de nitrato y amonio.
Los flujos de emisión de N2O, CO2 y CH4 en cada fecha de muestreo se calcularon teniendo en cuenta el aumento en la concentración de cada gas dentro de las cámaras durante el tiempo de muestreo, el volumen de aire y la superficie de la cámara y se corrigieron por la temperatura. Los flujos acumulados durante el periodo estudiado se calcularon integrando los flujos medidos entre cada dos muestreos consecutivos.
El potencial de calentamiento global (GWP) se calculó considerando las emisiones de N2O y CH4 como CO2 equivalente (CO2 eq, kg CO2 eq/ha) utilizando un horizonte a 100 años (Myhre et al., 2013). La intensidad de las emisiones (GWP-Y) se calculó como la relación entre GWP y el rendimiento (kg CO2 eq / kg grano); y el factor de emisión inducido por el fertilizante (EF) como la diferencia entre las emisiones de N2O en cada tratamiento y el control dividido por la cantidad de N aplicado en el tratamiento. El efecto de los tratamientos sobre los flujos de emisión de GEIs y las concentraciones de nitrato y amonio en el suelo en cada fecha de muestreo se evaluó mediante análisis de varianza de medidas repetidas. El efecto de los tratamientos sobre las emisiones acumuladas de GEIs, potencial de calentamiento global, intensidad de las emisiones y factor de emisión se evaluó mediante análisis de varianza y en el caso de encontrarse diferencias significativas, éstas se establecieron con la prueba múltiple de Tukey a un nivel de significación p=0.05 (SAS 9.4 Software).
El estudio de la viabilidad del uso de imágenes remotas para el ajuste del N mineral en cobertera (Objetivo 3), se realizó en la parcela de Villanueva de Sigena. Se tomaron en los años 2012 y 2013 imágenes multiespectrales en 4 longitudes de onda: azul (B) 450 nm, verde (G) 550 nm, rojo (R) 675 nm e infrarrojo (NIR) 780 nm, con un ancho de banda de 20 nm para las 4 bandas. Las imágenes se tomaron a mediodía solar, el 30 de julio de 2012 y el 13 de agosto de 2013 en la fase de panícula en zurrón. Las imágenes fueron preprocesadas y ortorectificadas con una resolución espacial de 0.1m.
Se seleccionaron diferentes índices de vegetación para evaluar su comportamiento Se incluyeron los índices: Ratio Vegetation Index (RVI; Jordan, 1969), Green Ratio Vegetation Index (GRVI; Inada 1985), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI; Rouse et al., 1974), y Green Normalized Difference Vegetation Index (GNDVI; Gitelson et al., 1996) porque habían mostrado consistentemente una buena relación con parámetros agronómicos como el rendimiento y se han utilizado para desarrollar aproximaciones para recomendar N en cobertera en distintos cultivos. Además se incluyeron tres índices derivados del Modified Chlorofphyll Absorption in Reflectance Index (MCARI) que fue desarrollado por Daughtry et al. (2000) para dar respuesta a las variaciones de clorofila; estos tres índices son, el MCARI1 definido por Haboudane et al. (2004), el MCARI-NIR adaptado de Cao et al. (2013) y el gMCARI-NIR propuesto en este trabajo, que introduce la diferencia entre las bandas del verde y el rojo, es decir la reflectancia en el pico del verde.
Se utilizó el software ArcGIS Desktop 10.3 para calcular el valor de cada uno de los 7 índices en cada píxel de la imagen de cada año y extraer posteriormente el valor medio de cada índice en cada parcela y año. La extracción del valor medio se realizó con una máscara que excluía 1 m desde cada uno de los límites de la parcela experimental para evitar los efectos de borde.
Se establecieron las relaciones entre los índices de vegetación y el rendimiento mediante análisis de regresión y se seleccionaron los mejores modelos teniendo en cuenta el coeficiente de determinación. Los dos índices que presentaron mejor relación con el rendimiento se utilizaron para diseñar dos herramientas de ayuda en la decisión de la necesidad de N en cobertera. Estas dos herramientas o modelos se diseñaron con la información del 75% de las parcelas del ensayo de Villanueva de Sigena (3 de las 4 repeticiones seleccionadas al azar) y se evaluaron sobre la información de la cuarta repetición. Se realizó una valoración económica y ambiental de la utilidad de la herramienta utilizando la información obtenida en la validación. Para ello se comparó: 1) el beneficio neto y 2) el exceso de N aplicado derivados de la aplicación de distintas dosis de N en cobertera sin utilizar la herramienta de ayuda (referencia) frente a la utilización de las herramientas.
4. RESULTADOS 4.1. Objetivo 1: La aplicación de purín porcino al arroz bajo las dos estrategias de aplicación no produjo efectos negativos en la germinación de la semilla, la presencia de malas hierbas, plagas o enfermedades, el rendimiento en molino o la calidad del grano. Los resultados mostraron que la aplicación de purín porcino permite conseguir rendimientos máximos aplicando una única dosis en fondo (170 kg N NH4/ha) o una dosis más baja (120 kg N-NH4/ha) complementada con fertilizante mineral en cobertera. Además, el equivalente mineral del N contenido en el purín fue del 92 % del contenido de N amoniacal aplicado y de un 57 % del contenido de N total aplicado, indicando que el cultivo aprovecha el N amoniacal contenido en el purín tan eficientemente como el del fertilizante mineral. Sin embargo, el N orgánico no es aprovechable durante el año de aplicación y por tanto, las dosis de purín se tienen que ajustar teniendo en cuenta el contenido de N amoniacal para evitar una reducción del rendimiento. Las eficiencias de uso del Nitrógeno no fueron significativamente diferentes entre las estrategias de fertilización con purín y mineral para dosis iguales de N. Para los tratamientos cercanos a las dosis óptimas, la eficiencia agronómica de uso del N osciló entre 16.7 y 25.4 kg/kg de N, estando en el rango de los valores habituales encontrados en otros trabajos (Ladha et al., 2005; Sun et al., 2012; Xie et al., 2007). El balance de N mostró que el N orgánico del purín no es utilizado por el arroz durante la época de cultivo y es una posible fuente de contaminación porque puede perderse durante el periodo intercultivo.
4.2. Objetivo 2: Las emisiones acumuladas de N2O fueron negativas en los dos ensayos en todos los tratamientos, corroborando que el metano es el gas con una mayor contribución al calentamiento global y que la contribución del N2O es pequeña o incluso contribuye a una disminución del GWP. La aplicación de purín porcino en fondo a dosis equivalentes a las de nitrógeno mineral (120 kg N/ha en Villanueva de Sigena y 170 kg N/ha en Grañén) no produjo un incremento de las emisiones de GEIs ni del factor de emisión de N2O en ninguna de las dos localidades. Sin embargo, en el suelo de Villanueva de Sigena, con un contenido menor de materia orgánica, la aplicación de una dosis alta de purín porcino en fondo (170 kg N/ha) aumentó las emisiones de metano en comparación con los tratamientos de dosis más baja en fondo, indicando que la estrategia de aplicación de purín en fondo a una dosis equivalente a las necesidades del cultivo (170 kg N/ha), aunque buena desde el punto de vista agronómico, aumenta las emisiones de GEIs en comparación con la aplicación de dosis moderadas de purín porcino en fondo (≈120 kg N/ha) complementadas con N mineral en cobertera.
4.3. Objetivo 3: Las relaciones entre el rendimiento y los siete índices de vegetación seleccionados fueron significativas en todos los casos y mostraron diferencias entre años y entre tipo de fertilización (purín y mineral). Así, la respuesta espectral del cultivo en parcelas fertilizadas con purín porcino fue diferente a la de las parcelas fertilizadas con N mineral. Por tanto, a la hora de la implementación práctica de estos resultados, es necesario trabajar con parcelas sobrefertilizadas tanto con purín como con fertilizante mineral para obtener valores relativizados. El índice gMCARI-NIR, propuesto en este estudio, que considera la respuesta espectral en las bandas del verde, rojo e infrarrojo cercano, mostró la mejor relación con el rendimiento, y permitió la elaboración de dos herramientas con un alto porcentaje de éxito (87.5 %) en la recomendación de N en su evaluación preliminar. El análisis económico y la evaluación del exceso de N mostraron que el uso de estas herramientas es una opción tanto económica como medioambientalmente favorable frente a la fertilización habitual sin ningún tipo de recomendación.
5. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos en esta tesis, se puede concluir que el purín porcino puede y debe integrarse en los planes de fertilización del cultivo de arroz en la zona del nordeste español. La mejor estrategia es la aplicación de dosis moderadas en fondo (≈120 kg N/ha) complementadas con N mineral en cobertera, permitiendo conseguir rendimientos máximos sin un aumento de las emisiones de GEIs. El uso de información multiespectral es una herramienta prometedora para el ajuste de estas dosis de N complementarias en cobertera, que pueden permitir un aumento del beneficio de las explotaciones y una reducción del exceso de N en los agroecosistemas de arroz.
6. RESUMEN DE LA BIBLIOGRAFÍA Aulakh, M.S., Khera, T.S., Doran, J.W., 2000. Mineralization and denitrification in upland, nearly saturated and flooded subtropical soil - II. Effect of organic manures varying in N content and C:N ratio. Biology and Fertility of Soils, 31(2): 168-174.
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