Crop Diversification for a Sustainable Intensification of Mediterranean Field Cropping Systems

Abstract

La diversificació de cultius sorgeix com una estratègia sostenible per millorar l'eficiència en l'ús de recursos i reduir els inputs en els agroecosistemes. No obstant això, les rotacions de cultius han de considerar l'adaptabilitat de cada espècie a les condicions pedoclimàtiques de cada sistema, cosa que pot ser particularment difícil en climes mediterranis. Aquesta tesi investiga com l'augment de la diversitat de cultius afecta variables clau agronòmiques i ambientals en tres sistemes agrícoles mediterranis: un sistema de secà sota sembra directa, un sistema de cultius d'hivern en regadiu i un sistema d'arròs (Oryza sativa L.) de regadiu. En examinar la productivitat, les eficiències en l'ús de l'aigua (EUA) i del nitrogen (N), la fertilitat del sòl i els resultats econòmics (segons la rellevància per a cada sistema), l'estudi pretén proporcionar coneixements per optimitzar les rotacions de cultius i les estratègies de fertilització sota diferents condicions pedoclimàtiques. En el sistema de secà, la rotació amb cereals alternatius va millorar la productivitat i l'EUA del blat (Triticum aestivum L.) i l'ordi (Hordeum vulgare L.) en comparació amb el monocultiu, onla civada (Avena sativa L.) va mostrar millor sinergia que el triticale (×Triticosecale Wittmack). Tanmateix, el guaret no van millorar l'emmagatzematge d'aigua i van oferir beneficis inconsistents per al N del sòl, resultant en augments modestos de rendiment de blat i ordi. Des d'un punt de vista econòmic, el guaret no va maximitzar la rendibilitat a causa dels elevats costos d'oportunitat durant les temporades amb precipitacions adequades. El sistema de cultius d'hivern en regadiu va demostrar que la diversificació de les rotacions mitjançant la inclusió de colza (Brassica napus L.) i pèsol (Pisum sativum L.) va augmentar significativament el rendiment i la qualitat del gra de blat en comparació amb una rotació completa de cereals (és a dir, ordi-triticale-blat). Es va observar una major disponibilitat de N, principalment gràcies al pèsol, cosa que va impulsar la productivitat del blat i l'EUA. Els cultius precedents, en general, van tenir un impacte més substancial en el rendiment del blat que les pràctiques de fertilització. L'ús de digestats com a fertilitzants va mostrar potencial per reduir l'impacte ambiental, tot i que el moment d'aplicació requereix optimització. En el sistema d'arròs, l'ús de cultius de cobertura amb veça villosa (Vicia villosa Roth) i raigràs (Lolium multiflorum Lam) va reduir la rendibilitat a causa dels alts costos d'implementació i la manca de beneficis en la producció de gra d'arròs. El raigràs va reduir consistentment els rendiments d'arròs, possiblement a causa d'una descomposició més lenta dels residus i d'efectes al·lelopàtics. Les pràctiques de fertilització van tenir una major influència en el rendiment de l'arròs que els cultius precedents, amb una major dependència del N mineral possiblement deguda a l'alliberament lent dels residus orgànics. En general, l'estudi demostra que la diversificació de cultius pot millorar la productivitat, l'EUA i la fertilitat del sòl en els sistemes cerealistes mediterranis, però la seva eficàcia depèn de les condicions específiques de cada sistema. La integració de lleguminoses juga un paper fonamental en la millora de la dinàmica del N i en la promoció de pràctiques sostenibles. Els resultats subratllen la necessitat d'estratègies de diversificació adaptades a les limitacions particulars de cada sistema agrícola per maximitzar els beneficis agronòmics i econòmics.

La diversificación de cultivos surge como una estrategia sostenible para mejorar la eficiencia en el uso de recursos y reducir los insumos en los agroecosistemas. No obstante, las rotaciones de cultivos deben considerar la adaptabilidad de cada especie a las condiciones pedoclimáticas de cada sistema, lo que puede ser particularmente difícil en climas mediterráneos. Esta tesis investiga cómo el aumento de la diversidad de cultivos afecta variables clave agronómicas y ambientales en tres sistemas agrícolas mediterráneos: un sistema de secano bajo siembra directa, un sistema de cultivos de invierno en regadío y un sistema de arroz (Oryza sativa L.) de regadío. Al examinar la productividad, las eficiencias en el uso del agua (EUA) y del nitrógeno (N), la fertilidad del suelo y los resultados económicos (según la relevancia para cada sistema), el estudio pretende proporcionar conocimientos para optimizar las rotaciones de cultivos y las estrategias de fertilización bajo diferentes condiciones pedoclimáticas. En el sistema de secano, la rotación con cereales alternativos mejoró la productividad y la eficiencia en el uso del agua (EUA) del trigo (Triticum aestivum L.) y la cebada (Hordeum vulgare L.) en comparación con el monocultivo, donde la avena (Avena sativa L.) mostró mejor sinergia que el triticale (×Triticosecale Wittmack). Sin embargo, el barbecho no mejoró el almacenamiento de agua y comportó beneficios inconsistentes para el N en el suelo, resultando en aumentos modestos de rendimiento. Desde el punto de vista económico, el barbecho no maximizó la rentabilidad debido a los altos costos de oportunidad durante las temporadas con precipitaciones adecuadas. El sistema de cultivos de invierno en regadío demostró que diversificar las rotaciones incluyendo colza (Brassica napus L.) y guisante (Pisum sativum L.) aumentó significativamente el rendimiento y la calidad del grano de trigo en comparación con una rotación de cereales. Se observó una mayor disponibilidad de N principalmente gracias al guisante, lo que impulsó la productividad del trigo y la EUA. Los cultivos precedentes en general tuvieron un impacto más sustancial en el rendimiento del trigo que las prácticas de fertilización. El uso de digestatos como fertilizantes mostró potencial para reducir el impacto ambiental, aunque el momento de aplicación requiere optimización. En el sistema de arroz, el uso de cultivos de cubierta con veza vellosa (Vicia villosa Roth) y raigrás (Lolium multiflorum Lam.) redujo la rentabilidad debido a los altos costos de implementación y la falta de beneficios en la producción de grano de arroz. El raigrás redujo consistentemente los rendimientos de arroz, posiblemente debido a una descomposición más lenta de los residuos y a efectos alelopáticos. Las prácticas de fertilización tuvieron una mayor influencia en el rendimiento del arroz que los cultivos precedentes, con una mayor dependencia del N mineral posiblemente debido a la liberación lenta de los residuos orgánicos. En general, el estudio demuestra que la diversificación de cultivos puede mejorar la productividad, la EUA y la fertilidad del suelo en los sistemas cerealistas mediterráneos, pero su eficacia depende de las condiciones específicas de cada sistema. La integración de leguminosas juega un papel fundamental en la mejora de la dinámica del N y en la promoción de prácticas sostenibles. Los resultados subrayan la necesidad de estrategias de diversificación adaptadas a las restricciones particulares de cada sistema agrícola para maximizar los beneficios agronómicos y económicos.

Crop diversification emerges as a sustainable strategy to enhance resource efficiency and reduce inputs in agroecosystems. However, crop designs must consider the adaptability of each crop to the pedoclimatic conditions of each system, which can be particularly challenging in mediterranean climates. This thesis investigates how increasing crop diversity affects key agronomic and environmental variables in three Mediterranean cropping systems—a rainfed system under no-tillage, an irrigated winter cropping system, and an irrigated rice (Oryza sativa L.) system. By examining productivity, water and nitrogen (N) use efficiencies, soil fertility, and economic outcomes (as relevant to each system), the study aims to provide insights into optimizing crop rotations and fertilization strategies under varying pedoclimatic conditions. In the rainfed system, rotating alternative cereals improved productivity and water use efficiency (WUE) of wheat (Triticum aestivum L.) and barley (Hordeum vulgare L.) compared to monocropping, with oats (Avena sativa L.) showing better synergy than triticale (×Triticosecale Wittmack). However, long fallow periods did not enhance water storage and provided inconsistent benefits for soil N, resulting in modest yield increases of wheat and barley. Economically, long-fallows did not maximize profitability due to high opportunity costs during seasons with adequate rainfall. The irrigated winter cropping system demonstrated that diversifying rotations by including canola (Brassica napus L.) and pea (Pisum sativum L.) significantly increased wheat grain yield and quality compared to a full cereal rotation (i.e., barley-triticale-wheat). There was enhanced N availability mainly owing to pea, boosting wheat productivity and WUE. The preceding crops generally had a more substantial impact on wheat performance than fertilization practices. Using digestates as fertilizers showed potential to reduce environmental impact, though application timing requires optimization. In the rice system, cover cropping with hairy vetch (Vicia villosa Roth) and ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) reduced profitability due to high implementation costs and no benefit to rice grain production. Ryegrass consistently reduced rice yields, possibly due to slower residue decomposition and allelopathic effects. Fertilization practices had a greater influence on rice performance than preceding crops, with reliance on mineral N potentially due to the slow-release nature of organic residues. Overall, the study demonstrates that crop diversification can enhance productivity, WUE and soil fertility in Mediterranean cereal systems, but its effectiveness depends on specific system conditions. Legume integration plays a pivotal role in improving N dynamics and promoting sustainable practices. The findings emphasize the need for tailored diversification strategies that consider the unique constraints of each cropping system to maximize agronomic and economic benefits.