Impact of tillage system and crop diversification on water use efficiency, soil structure and water and gas fluxes in the soil of a Mediterranean area

Abstract

A les noves zones de regadiu de la vall de l'Ebre (NE d'Espanya) se sol canviar el tradicional monocultiu de cereals d'hivern per cultius més productius com el blat de moro (Zea mays L.). No obstant això, en aquestes condicions, el cultiu anual únic es pot substituir per seqüències de cultiu diversificades. L'objectiu d'aquesta tesi és determinar l'efecte combinat dels sistemes de conreu i les seqüències de cultius sobre la dinàmica espai-temporal de les propietats hidrofísiques i els components del balanç hídric del sòl, el rendiment dels cultius, l'eficiència de l'ús del aigua i la seva productivitat en condicions de regadiu. Aquest estudi es va dur a terme en un experiment de sistemes de conreu a llarg termini, establert el 1996 al NE d'Espanya, al llarg de tres anys de cultiu: 2018-19, 2019-20 i 2020-21. Es van comparar tres sistemes de conreu (conreu intensiu, IT; conreu reduït, RT i no conreu, NT) i dues seqüències de cultiu (guaret curt-panís de maduració tardana, FM; i lleguminoses-panís de maduració primerenca, LM; Pèsol, Pisum sativum L., o Vicia, Vicia sativa L.). Durant 2018-19 i 2019-20, es van realitzar 14 mostrejos per obtenir 288 mostres de sòl inalterades (profunditat 0.02-0.08 m) sota dos sistemes de conreu extrems (IT i NT), dues seqüències de cultius i dues posicions (dins i entre files del cultiu: W-row i B-row). En aquestes mostres es va determinar la densitat aparent, la difusivitat relativa de l'O2, la corba de retenció d'humitat i la de conductivitat hidràulica. El 2020-21, es van dur a terme cinc campanyes d'infiltració amb el mètode Beerkan (180 infiltracions) en condicions de camp per determinar la variació espai-temporal de les propietats hidrofísiques de la superfície del sòl. A més, es va mesurar el contingut d'aigua del terra (SWC) fins a 90 cm, l'escolament superficial i la quantitat d'aigua rebuda (precipitació i reg). Es van mesurar variables del cultiu, com ara la biomassa aèria i el rendiment, i es van utilitzar per calcular l'eficiència de l'ús de l'aigua i la seva productivitat. Els resultats van revelar que, en IT i a potencials hídrics elevats (Ψ > -10 cm H2O), el sòl sota LM tenia més difusivitat, a causa d'una major quantitat de porus plens d'aire i major continuïtat de porus que FM. De la mateixa manera, es va observar una major conductivitat hidràulica específica, Kpc (cm dia-1) corresponent a la macroporositat (> 1000 µm) degut a un major nombre de porus efectius, Npc (m-2), i porositat efectiva, εpc ( cm3 cm-3). Durant el cultiu d'hivern, l'absorció d'aigua per part de les lleguminoses va reduir el risc de pèrdues d'aigua per percolació profunda (DP), mentre que al cultiu d'estiu, LM va mostrar una DP similar o lleugerament més gran que FM. La introducció de lleguminoses va augmentar la biomassa aèria del panís, el rendiment en gra, l'eficiència de l'ús i la productivitat de l'aigua el 2018-19 i el 2020-21, especialment sota IT. El sòl sota NT va mostrar una difusivitat similar a l'IT a Ψ elevats (-10 cm H2O) a causa d'una major continuïtat dels porus, particularment entre els macropors. Així mateix, el NT va mostrar més conductivitat hidràulica, K (cm dia-1) a major Ψ (0,-1,-3 i -10 cm H2O) i major Kpc corresponent a macropors i mesopors gruixuts (1000-60 µm) que IT a causa de l'augment de Npc, εpc i de la continuïtat dels porus, Cwpc. La reducció en la intensitat del conreu, és a dir, RT i NT van reduir la formació de crostes superficials i la generació de escolament superficial i van augmentar la infiltració, cosa que va resultar en una biomassa aèria, rendiment en gra, eficiència en l'ús de l'aigua i productivitat de l’aigua mes grans. Es van trobar variacions espaials de les propietats hidrofísiques del sòl. Així, W-row tenia més difusivitat, conductivitat hidràulica i sortivitat a causa d'una menor densitat aparent i més macroporositat i continuïtat dels porus. Les millores en les propietats hidrofísiques del sòl sota IT després del conreu no van persistir en el temps a causa de la reconsolidació del sòl amb la pluja i el reg. A més, es va trobar una major variació temporal de la conductivitat hidràulica i la sortivitat del sòl en superfície sota IT i RT en comparació amb NT a causa de la formació de la crosta del sòl. Als agroecosistemes mediterranis, la incorporació de lleguminoses a la seqüència de cultius juntament amb el conreu de conservació seria una opció de maneig per mantenir l'estabilitat estructural del sòl i la producció dels cultius, maximitzar l'eficiència de l'ús d'aigua i la seva productivitat. Fins i tot quan l'ús del conreu de conservació no és possible, la seqüència lleguminosa-panís pot ser una opció de maneig per contrarestar l'efecte negatiu del conreu intensiu.

En las nuevas zonas de regadío del valle del Ebro (NE de España) se suele cambiar el tradicional monocultivo de cereales de invierno por cultivos más productivos como el maíz (Zea mays L.). No obstante, en estas condiciones, el cultivo anual único puede sustituirse por secuencias de cultivo diversificadas. El objetivo de esta tesis es determinar el efecto combinado de los sistemas de laboreo y las secuencias de cultivos sobre la dinámica espacio-temporal de las propiedades hidrofísicas y los componentes del balance hídrico del suelo, el rendimiento de los cultivos, la eficiencia del uso del agua y su productividad en condiciones de regadío. El presente estudio se llevó a cabo en un experimento de sistemas laboreo a largo plazo, establecido en 1996 en el NE de España, a lo largo de tres años de cultivo: 2018-19, 2019-20 y 2020-21. Se compararon tres sistemas de laboreo (laboreo intensivo, IT; laboreo reducido, RT y no laboreo, NT) y dos secuencias de cultivo (barbecho corto-maíz de maduración tardía, FM; y leguminosas-maíz de maduración temprana, LM; Guisante, Pisum sativum L., o Vicia, Vicia sativa L.). Durante 2018-19 y 2019-20, se realizaron 14 muestreos para obtener 288 muestras de suelo inalteradas (profundidad 0.02-0.08 m) bajo dos sistemas de laboreo extremos (IT y NT), dos secuencias de cultivos y dos posiciones (dentro y entre filas del cultivo: W-row y B-row). En estas muestras se determinó la densidad aparente, la difusividad relativa del O2, la curva de retención de humedad y la de conductividad hidráulica. En 2020-21, se llevaron a cabo cinco campañas de infiltración con el método Beerkan (180 infiltraciones) en condiciones de campo para determinar la variación espacio-temporal de las propiedades hidrofísicas de la superficie del suelo. Además, se determinó el contenido de agua del suelo (SWC) hasta 90 cm, la escorrentía superficial y la cantidad de agua recibida (precipitación y riego). Se midieron variables del cultivo, como la biomasa aérea y el rendimiento, y se utilizaron para calcular la eficiencia del uso del agua y su productividad. Los resultados revelaron que, bajo IT y potenciales hídricos elevados (Ψ > -10 cm H2O), el suelo bajo LM tenía una mayor difusividad, debido a una mayor cantidad de poros llenos de aire y mayor continuidad de los poros que FM. De igual forma, se observó una mayor conductividad hidráulica específica, Kpc (cm día-1) correspondiente a la macroporosidad (> 1000 µm) debido a un mayor número de poros efectivos, Npc (m-2), y porosidad efectiva, εpc (cm3 cm-3). Durante el cultivo de invierno, la absorción de agua por parte de las leguminosas redujo el riesgo de pérdidas de agua por percolación profunda (DP), mientras que en el cultivo de verano, LM mostró una DP similar o ligeramente mayor que FM. La introducción de leguminosas aumentó la biomasa aérea del maíz, su rendimiento en grano, la eficiencia del uso y la productividad del agua en 2018-19 y 2020-21, especialmente bajo IT. El suelo bajo NT mostró una difusividad similar al IT a Ψ elevados (-10 cm H2O) debido a una mayor continuidad de los poros, particularmente entre los macroporos. Así mismo, el NT mostró mayor conductividad hidráulica, K (cm día-1) a mayor Ψ (0,-1,-3 y -10 cm H2O) y mayor Kpc correspondiente a macroporos y mesoporos gruesos (1000-60 µm) que IT debido al aumento de Npc, εpc y de la continuidad de los poros, Cwpc. La reducción en la intensidad del laboreo, es decir, RT y NT previnieron la formación de costras superficiales y la generación de escorrentía superficial y aumentaron la infiltración, lo que resultó en una biomasa aérea, rendimiento en grano, eficiencia en el uso del agua y productividad del agua mayores. Se encontraron variaciones espaciales de las propiedades hidrofísicas del suelo. Así, W-row tenía mayor difusividad, conductividad hidráulica y sortividad debido a una menor densidad aparente y una mayor macroporosidad y continuidad de los poros. Las mejoras en las propiedades hidrofísicas del suelo bajo IT tras el laboreo no persistieron en el tiempo debido a la reconsolidación del suelo con la lluvia y el riego. Además, se encontró una mayor variación temporal de la conductividad hidráulica y la sortividad del suelo en superficie bajo IT y RT en comparación con NT debido a la formación de la costra del suelo. En los agroecosistemas mediterráneos, la incorporación de leguminosas en la secuencia de cultivos junto con el laboreo de conservación sería una opción de manejo para mantener la estabilidad estructural del suelo y la producción de los cultivos, maximizar la eficiencia del uso de agua y su productividad. Incluso cuando el uso del laboreo de conservación no es posible, la secuencia leguminosa-maíz puede ser una opción de manejo para contrarrestar el efecto negativo del laboreo intensivo.

Irrigated Mediterranean area of the Ebro valley (NE of Spain) has extent the possibilities of changing winter cereals to more productive crops like maize (Zea mays L.). Under irrigated conditions, continuous mono-cropping can be substituted by diversified crop sequences. The objective of this thesis is to determine the combined effects of tillage systems and crop sequences on spatio-temporal dynamics of soil hydro-physical properties, soil water balance components, crop productivity, crop water use efficiency and water productivity in irrigated conditions. Present study was carried out in a long-term tillage experiment, NE Spain, established in 1996 and was performed in three consecutive cropping years i.e., 2018-19, 2019-20 and 2020-21 considering only plots under medium fertilization rates (200 kg N ha-1). Tillage systems (intensive tillage, IT; reduced tillage, RT and no-tillage, NT) and crop sequences (short fallow-late maturing maize, FM; and legume-early maturing maize, LM) were compared in a split plot design. During 2018-19 and 2019-20, thirteenth undisturbed soil samplings (depth: 0.02-0.08 and quantity: 288 cores) were performed under two contrasting tillage systems (IT and NT), two crop sequences, and two positions (Within and between crop rows: W-row and B-row) to determine bulk density, relative soil gas diffusivity, soil water retention and hydraulic conductivity. In 2020-21, five Beerkan infiltration campaigns (180 runs) were carried-out in field condition to measure and estimate spatio-temporal variation of surface soil hydro-physical properties. In addition, soil water content (SWC) up to 90 cm (profile), surface runoff and amount of water received e.g., precipitation and irrigation were measured and recorded from 2018-19 to 2020-21 to calculate soil water balance components. Crop variables such as above ground biomass and grain yields were measured, and used to compute crop water use efficiency, and water productivity. The results revealed that LM had greater soil gas diffusivity, due to greater air-filled porosity, macroporosity and pore continuity than FM; under IT, at higher soil water matric potentials (Ψ) (-10 cm H2O). Similarly, greater specific hydraulic conductivity, Kpc (cm day-1) was observed corresponding to macroporosity (> 1000 µm) because of greater number of effective pores, Npc (m-2) and effective porosity, εpc (cm3 cm-3). During winter cropping season, water uptake by legumes (Pea: Pisum sativum L. or Vetch: Vicia sativa L) reduced the risk of water losses by deep percolation (DP), whilst in summer cropping season, LM showed similar or slightly higher DP than FM. Introduction of legumes increased maize above ground biomass and grain yield, crop water use efficiency and water productivities in 2018-19 and 2020-21, especially under IT. Soil under NT showed similar gas diffusivity than IT at higher Ψ (-10 cm H2O) due to greater pore continuity, particularly among macropores, and less blocked pores, but no differences were observed at lower Ψ (-1000 cm H2O).Similarly, long-term NT showed greater hydraulic conductivity, K (cm day-1) at higher Ψ (0, ₋ 1, ₋ 3 and ₋ 10 cm H2O) and greater Kpc corresponding to macropores and coarse mesopores (1000-60 µm) pore size classes than IT due to increased Npc, εpc, and pore continuity, Cwpc. Reduction in tillage intensity i.e., RT and NT prevented surface crust formation and surface runoff and increased infiltration, resulting on greater above ground biomass, grain yield water use efficiency and water productivities. Spatial variation (i.e., B-row vs. W-row) of soil hydro-physical properties were found, and W-row had greater soil gas diffusivity, hydraulic conductivity and sorptivity due to lower bulk density, macroporosity, and pore continuity. Improvements on soil hydro-physical properties and pore characteristics under IT did not persist over time due to reconsolidation of soil after rain and irrigation. In addition, greater temporal dynamics of surface soil hydraulic conductivity and sorptivity were found under IT and RT as compared to NT because of soil crust formation. In Mediterranean agroecosystems, incorporation of legume into crop sequence together with long-term conservation tillage i.e., RT and NT would be a management choice to maintain soil structural stability and crop production, maximize crop water use and productivity and reduce water loses. Even when the use of conservation tillage is not possible, legume-maize can be a management option to counteract the negative effect of intensive tillage.