Pasturas tropicales, actor clave en el ciclo del nitrógeno y emisiones de GEI en sistemas ganaderos tropicales

La ganadería extensiva basada en libre pastoreo en Latinoamérica representa una importante pieza del sector agrícola, la producción de alimentos y la economía de la región, pero así mismo, una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) (Arango et al., 2020). Los forrajes tropicales perennes del género Urochloa (Syn. Brachiaria) suponen un alto porcentaje de la superficie dedicada a pastos en varios países de Latinoamérica además de creciente uso como cultivo de cobertura (Baptistella et al., 2020), lo que hace fundamental un manejo eficiente de los mismos a fin de reducir las emisiones de GEI de este sector.

En algunos genotipos de la especie Urochloa humidicola (Rendle) Schweick (Poaceae) (Syn. Brachiaria humidicola) se ha observado un fenómeno llamado inhibición biológica de la nitrificación (IBN) (Subbarao et al., 2009). Un compuesto exudado por las raíces de estas plantas llamado Brachialactone se ha demostrado capaz de bloquear el proceso de nitrificación (la oxidación del relativamente móvil amonio [NH4+] al móvil nitrato [NO3]) en el suelo. Esta IBN se ha demostrado capaz de reducir las tasas netas de nitrificación en el suelo y las emisiones de N2O, un potente gas de efecto invernadero, derivadas de la aplicación de fertilizantes o de la deposición de orina del ganado (Byrnes et al., 2017; Subbarao et al., 2009) lo que reduce el impacto ambiente de la ganadería. Este fenómeno también ha sido reportado en diferentes genotipos de la pastura Megathyrsus maximus, que al igual que Urochloa, es bastante utilizada en los trópicos (Villegas et al., 2020).

(Foto: CIAT)

A pesar de la gran cantidad de estudios publicados en los últimos años acerca del fenómeno IBN y su potencial para reducir las emisiones de N2O e incrementar la eficiencia en el uso de nitrógeno (N) tanto en forrajes de Urochloa y Megathyrsus como en otros cultivos de gran interés como el trigo, el arroz o el sorgo (Subbarao et al., 2015), hasta la publicación del presente estudio, ningún otro había evaluado el efecto del IBN sobre las tasas de nitrificación bruta. Estudios previos han evaluado caracterizado la capacidad IBN de diferentes genotipos de Urochloa basados en las tasas netas de nitrificación (Nuñez et al., 2018; Subbarao et al., 2009) [Ver figura 1].

La nitrificación neta es el balance entre la producción bruta de NO3 y el consumo bruto de NO3, lo cual incluye más mecanismos además de la sola inhibición de la nitrificación debida al efecto IBN, puesto que tanto diferentes tasas de amonificación o de inmovilizaciíon de N inorgánico podráin estar afectando la nitrificación neta. Por tanto, la evaluación de las tasas brutas de transformación de N, incluyendo la amonificación bruta de N, la nitrificación bruta y la inmovilización de N, permiten mejorar el entendimiento del impacto de Urochloa con contrastada capacidad IBN sobre el ciclo del N en el suelo.

En un estudio recientemente publicado (Vázquez et al., 2020), hemos evaluado el impacto sobre las transformaciones brutas de N de varios genotipos de Urochloa con contrastante capacidad IBN ubicados en dos parcelas experimentales localizadas en Colombia. Las tasas brutas de transformación de N se llevaron a cabo utilizando el método de “dilución isotópica de 15N”, el cual permite diferenciar entre la amonificación bruta de N (la liberación de NH4+ de la materia orgánica del suelo), la nitrificación bruta (la oxidación de NH4+ a NO3) y la inmovilización heterotrófica de NH4+y NO3. De acuerdo a nuestra hipótesis, los genotipos de Urochloa caracterizados previamente por una alta capacidad IBN deberían mostrar una menor tasa de nitrificación bruta debido a la presencia de brachialactone que inhibe la nitrificación.

(Foto: CIAT)

Contrariamente a lo esparado, nuestros resultados no mostraron una menor nitrificación bruta en los genotipos de alto IBN en comparación con aquellos de bajo IBN. La falta de diferencias tal vez pudo deberse a una limitación de NH4+ que sirviesen como sustrato para la nitrificación, ya que los suelos no fueron fertilizados con N previamente al ensayo. Futuros ensayos debería evaluar las tasas de nitrificación bruta tras la fertilización del suelo con el objetivo de confirmar esta hipótesis.

Sin embargo, sí observamos una mayor inmovilización de N inorgánico en varios genotipos clasificados como alto IBN (CIAT-16888 y CIAT-1149), mientras que otros mostraron una amonificación bruta relativamente baja (CIAT 679). Ambos mecanismos pueden igualmente explicar la menor nitrificación neta y acumulación de NO3 generalmente descrita bajo esos genotipos y también medida en nuestro estudio.

(Foto: CIAT)

Nuestros resultados, por tanto, indicaron que el fenómeno IBN largamente descrito no sólo consiste en una simple inhibición de la nitrificación, sino que los genotipos de IBN caracterizados por su alta capacidad IBN generan suelos con bajos contenidos en NO3mediante varios mecanismos, tales como una mayor inmovilización de N inorgánico por la biomasa microbiana. La inmovilización de N inorgánico por la biomasa microbiana actúa como un reservorio temporal de N hasta su remineralización, cuando vuelve a forma inorgánica y está disponible nuevamente para plantas y otros microorganismos (Kuzyakov and Xu, 2013) [Ver Figura 1]. De esta manera, una mayor inmovlización de N inorgánico reduce las pérdidas de N del suelo.

En su conjunto, los resultados obtenidos, junto con estudios previos, muestran cómo determinados genotipos de Urochloa están adaptados a ecostemas pobres en N como los suelos de las sabanas tropicales, lo que les hace disponer de diversos mecanismos capaces de reducir las pérdidas de N y aumentar la eficiencia de su uso. Por lo tanto, esfuerzos científicos deben realizarse en la búsqueda de genotipos o híbridos de Urochloa y Megathyrsus capaces de aunar a la vez reducidas pérdidas de N con alta productividad y buena calidad forrajera. Así mismo, desde las instituciones, diferentes programas deberían desarrollarse a fin de promover aquellos pastos forrajeros más respetuosos con el medio ambiente y reducir, así, el impacto ambiental del sector ganadero en Latinoamérica.

Arango, J., Ruden, A., Martinez-Baron, D., Loboguerrero, A.M., Berndt, A., Chacón, M., Torres, C.F., Oyhantcabal, W., Gomez, C.A., Ricci, P., Ku-Vera, J., Burkart, S., Moorby, J.M., Chirinda, N., 2020. Ambition Meets Reality: Achieving GHG Emission Reduction Targets in the Livestock Sector of Latin America. Front. Sustain. Food Syst. https://doi.org/10.3389/fsufs.2020.00065

Baptistella, J.L.C., de Andrade, S.A.L., Favarin, J.L., Mazzafera, P., 2020. Urochloa in Tropical Agroecosystems. Front. Sustain. Food Syst. https://doi.org/10.3389/fsufs.2020.00119

Byrnes, R.C., Nùñez, J., Arenas, L., Rao, I., Trujillo, C., Alvarez, C., Arango, J., Rasche, F., Chirinda, N., 2017. Biological nitrification inhibition by Brachiaria grasses mitigates soil nitrous oxide emissions from bovine urine patches. Soil Biol. Biochem. 107, 156–163. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.12.029

Kuzyakov, Y., Xu, X., 2013. Competition between roots and microorganisms for nitrogen: Mechanisms and ecological relevance. New Phytol. 198, 656–669. https://doi.org/10.1111/nph.12235

Nuñez, J., Arevalo, A., Karwat, H., Egenolf, K., Miles, J., Chirinda, N., Cadisch, G., Rasche, F., Rao, I., Subbarao, G., Arango, J., 2018. Biological nitrification inhibition activity in a soil-grown biparental population of the forage grass, Brachiaria humidicola. Plant Soil 426, 401–411. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3626-5

Subbarao, G. V, Nakahara, K., Hurtado, M.P., Ono, H., Moreta, D.E., Salcedo, A.F., Yoshihashi, A.T., Ishikawa, T., Ishitani, M., Ohnishi-Kameyama, M., Yoshida, M., Rondon, M., Rao, I.M., Lascano, C.E., Berry, W.L., Ito, O., 2009. Evidence for biological nitrification inhibition in Brachiaria pastures. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 17302–7. https://doi.org/10.1073/pnas.0903694106

Vázquez, E., Teutscherova, N., Dannenmann, M., Töchterle, P., Butterbach-Bahl, K., Pulleman, M., Arango, J., 2020. Gross nitrogen transformations in tropical pasture soils as affected by Urochloa genotypes differing in biological nitrification inhibition (BNI) capacity. Soil Biol. Biochem. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108058

Villegas, D., Arevalo, A., Nuñez, J., Mazabel, J., Subbarao, G., Rao, I., De Vega, J., Arango, J., 2020. Biological Nitrification Inhibition (BNI): Phenotyping of a Core Germplasm Collection of the Tropical Forage Grass Megathyrsus maximus Under Greenhouse Conditions. Front. Plant Sci. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00820

El humedal mediterráneo y su papel como sumidero de gases de efecto invernadero

Este estudio cuantifica las variaciones diurnas, estacionales e interanuales en los intercambios ecosistema-atmósfera de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y vapor de agua (o evapotranspiración), principales gases de efecto invernadero (GEIs), en base a cinco años (2012-2016) de mediciones continuas en un humedal Mediterráneo dominado por la especie Phragmites australis (caña común) ubicado en la localidad granadina de El Padul, en el Parque Natural de Sierra Nevada. Además, analiza los procesos subyacentes y los factores ambientales que explican esta variabilidad, para finalmente determinar el papel de este ecosistema como fuente o sumidero de carbono y su vulnerabilidad frente al cambio climático

Actualmente, el cambio climático es uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la humanidad, suponiendo un desafío científico excepcional. El incremento de GEIs en la atmósfera está alterando drásticamente el equilibrio radiativo de la Tierra, representando uno de los principales motores impulsores del cambio climático. En este sentido, el óptimo conocimiento del ciclo global de carbono es crucial para promover decisiones políticas destinadas a aumentar el secuestro de carbono en los ecosistemas terrestres, siendo la región Mediterránea una de las áreas con mayor incertidumbre asociada a su contribución al calentamiento global.

En las últimas décadas, el desarrollo tecnológico está permitiendo cuantificar de forma continua y con técnicas no invasivas los intercambios de carbono (CO2 y CH4) y la evapotranspiración de diversos ecosistemas, con una resolución temporal de hasta media hora, permitiendo por tanto una integración temporal a mayor escala (mensual, anual o incluso de décadas). Nos referimos a las comúnmente conocidas “torres de flujo”, (técnica micrometeorológica “eddy covariance”) distribuidas por todo el mundo, formando la red FLUXNET (https://daac.ornl.gov/FLUXNET/guides/Fluxnet_site_DB.html)  que cuenta actualmente con más de 550 torres. Estas torres son gestionadas por investigadores de diversos centros, con la intención de garantizar la calidad y fiabilidad de las medidas en base a unos estándares internacionales establecidos. Además, se llevan a cabo otras medidas complementarias como por ejemplo medidas del intercambio de gases a nivel de la hoja de la planta, caracterizaciones de suelos, variaciones anuales en el índice de área foliar, etc., que complementan y ayudan a entender el funcionamiento de los diversos ecosistemas. En definitiva, lo que pretende esta red internacional es estudiar más a fondo el papel de estos ecosistemas en el ciclo global del carbono.

En este contexto, se están incrementando los esfuerzos internacionales para cuantificar los intercambios de CH4 a nivel mundial, pero dicha información es aún muy limitada, con importantes fuentes de incertidumbre atribuidas principalmente a las emisiones de los humedales y otras aguas continentales. Los humedales, a pesar de su escasa representatividad espacial (entre el 2% y el 6% de la superficie terrestre de la Tierra), son ecosistemas cruciales que modulan el cambio climático, dado su gran potencial para capturar CO2, emitir CH4 y regular el clima local a través de la evapotranspiración. Dichos ecosistemas se caracterizan por una alta producción de biomasa, conteniendo en sus suelos el 25% de la reserva total de carbono orgánico a nivel mundial. Sin embargo, en paralelo, al ser zonas inundadas, las condiciones de anoxia promueven los procesos metanogénicos, representando el 51-82% de las emisiones naturales de CH4 (Kirschke et al., 2013). Por lo tanto, el papel de los humedales en el calentamiento global está determinado por el equilibrio entre la absorción neta de CO2 atmosférico y la liberación de CH4. Además, la evapotranspiración influye en la temperatura y la humedad de la capa límite atmosférica, contribuyendo a la formación de nubes convectivas y alterando los patrones de convergencia del viento.

Concretamente, en los humedales mediterráneos es muy frecuente la presencia de caña común (Phragmites australis), especie vegetal muy productiva que se extiende desde regiones templadas/frías hasta los trópicos. En el hemisferio norte, la caña común alcanza su biomasa máxima en verano con tasas de crecimiento máximas que aumentan de norte a sur en Europa (Engloner, 2009). En particular, los humedales mediterráneos españoles están frecuentemente bordeados por formaciones monoespecíficas, densas y vigorosas de caña común, con un pico máximo de crecimiento a finales de junio, que disminuye abruptamente en octubre con una senescencia foliar avanzada. Hemos comprobado que dicha dinámica de crecimiento determina una fuerte estacionalidad en los intercambios de carbono (CO2 y CH4) y evapotranspiración.

A pesar de la relevancia de los humedales en el ciclo global de carbono y la abundancia de la caña común en todo el mundo, no hay estudios disponibles en los que se mida simultáneamente los intercambios de CO2 y CH4 con tiempo suficiente como para analizar su variabilidad interanual y para estimar la cantidad total de GEIs (expresado en CO2 equivalente) netamente asimilado o emitido a la atmósfera por este tipo de ecosistemas. Además, aunque la dinámica de crecimiento de esta especie apenas varía en todo el hemisferio norte (Engloner, 2009), es bien sabido que las diferentes condiciones climatológicas pueden inducir grandes diferencias. Es más, el efecto de las inundaciones estacionales (típico de humedales mediterráneos) sobre estos intercambios, aún se desconoce.

Los resultados obtenidos muestran una gran (e inesperada) variabilidad interanual en relación al papel de este humedal como sumidero (o fuente) de GEIs. En 2014 el humedal de “El Padul” se comportó como un importante sumidero, asimilando 660 ± 150 g CO2-eq m-2 año-1, mostrando un comportamiento similar al de los bosques templados que pueden llegar a absorber entre 100 a 660 g C m-2 año-1 (Valentini et al., 2000). Por el contrario, solo dos años después, emitió a la atmósfera 360 ​​± 120 g CO2-eq m-2 año-1. Este comportamiento revela la importancia relativa de las emisiones de CH4 en el humedal estudiado, ya que a pesar de presentar emisiones muy bajas de metano en comparación con otros humedales (van den Berg et al., 2016; Zhang et al., 2016), su elevado potencial de calentamiento global (28 veces superior al CO2), transformó este ecosistema, con balance de CO2 cercano a valores neutrales en 2016, en fuente de GEIs.

No obstante, la variabilidad interanual parece estar principalmente dominada por  los intercambios netos de CO2 que son el resultado de procesos de absorción (Producción Primaria Bruta (PPB) o Gross Primary Production (GPP) en inglés) y emisión de CO2 (Respiración del ecosistema, «Reco») que ocurren paralelamente en el ecosistema y cuya relevancia dependerá tanto de factores fenológicos como climáticos. En nuestro estudio hemos comprobado que generalmente durante el período de crecimiento la PPB domina sobre la «Reco» mientras que durante el período de senescencia ocurre lo contrario. Sin embargo, es durante el período de transición cuando el balance entre estos dos procesos es más variable y más dependiente de las condiciones meteorológicas. De hecho, hemos comprobado que durante este período, condiciones de temperatura de suelo más elevadas aumentarán exponencialmente la magnitud de los procesos de emisión de CO2 en el ecosistema de estudio (Reco). También hemos comprobado que la producción primaria bruta (PPB) está relacionada con la temperatura del suelo (Ts) y se refleja en el grado de verdor de la vegetación, variable que puede obtenerse a través de imágenes de satélite [Índice de Vegetación Mejorado o Enhanced Vegetation Index (EVI) en inglés; https://modis.ornl.gov/cgi-bin/MODIS/global/subset.pl]. Con respecto a los procesos de evapotranspiración, la variabilidad diaria es principalmente consecuencia de variaciones en la temperatura del suelo, y su variación interanual no fue notable durante los cinco años de estudio.

Para concluir, en consonancia con la reciente declaración de emergencia climática por parte del gobierno, hacemos un llamamiento a la imperiosa necesidad de mantener este tipo de medidas continuas a largo plazo, como herramienta esencial para establecer políticas de gestión destinadas a conservar y mejorar la capacidad de los ecosistemas como sumideros de carbono.

AUTORES DEL POST: Penélope Serrano Ortiz, Sergio Aranda Barranco, Ana López Ballesteros, Clement Lopez Canfin, Enrique Pérez Sánchez-Cañete,  Ana Meijide y Andrew Kowalski.

Referencia al artículo:

Serrano-Ortiz, P., S. Aranda-Barranco, A. López-Ballesteros, C. Lopez-Canfin, E. P. Sánchez-Cañete, A. Meijide, and A. S. Kowalski. 2020. Transition Period Between Vegetation Growth and Senescence Controlling Interannual Variability of C Fluxes in a Mediterranean Reed Wetland. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 125, 2019JG005169. https://doi.org/10.1029/2019JG005169

Referencias:

Engloner, A.I., 2009. Structure, growth dynamics and biomass of reed (Phragmites australis) – A review. Flora, 204: 331-346.

Kirschke, S. et al., 2013. Three decades of global methane sources and sinks. Nature Geosci, 6(10): 813-823.

Valentini, R. et al., 2000. Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests. Nature, 404: 861 – 865.

van den Berg, M., Ingwersen, J., Lamers, M. and Streck, T., 2016. The role of Phragmites in the CH4 and CO2 fluxes in a minerotrophic peatland in southwest Germany. Biogeosciences, 13(21): 6107-6119.

Zhang, Q., Sun, R., Jiang, G., Xu, Z. and Liu, S., 2016. Carbon and energy flux from a Phragmites australis wetland in Zhangye oasis-desert area, China. Agricultural and Forest Meteorology.

Jornada sobre Cambio Climático y sector agroganadero. Córdoba, 21-22 de noviembre

Os enviamos información sobre la jornada sobre Cambio Climático y sector agroganadero organizado por la Cátedra de Ganadería Ecológica de la Universidad de Córdoba. La jornada tendrá lugar los próximos 21 y 22 de noviembre de 2019.

Esta jornada cuenta con la participación de varios miembros de Red REMEDIA y aborda la mitigación de gases efecto invernadero en el sector ganadero. En particular, se centrará en la medición de emisiones en el contexto de la ganadería extensiva y ecológica.

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Primer estudio a gran escala para medir las emisiones de metano de vacas lecheras a nivel español

Por: Oscar González-Recio, Aser García-Rodríguez, Raquel Atxaerandio, Idoia Goiri, Javier López-Paredes

Los rumiantes son un bio-reactor natural que transforma materia vegetal no digestible por el ser humano en energía y proteína de alta calidad imprescindible en una dieta saludable y equilibrada. Forman parte del tejido industrial en áreas rurales, promoviendo y favoreciendo la economía familiar y un desarrollo rural sostenible.  En contraposición, los microorganismos que pueblan el rumen generan metano como residuo durante la fermentación del alimento consumido, siendo este liberado al medio principalmente mediante la eructación y en menor medida exhalado a través de la respiración. El metano es un gas de efecto invernadero con un poder de calentamiento entre 24 y 36 veces el del CO2. A pesar de que la contribución del metano de rumiantes a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero es menor de un 10% del total de las emisiones, es necesario reducir estas emisiones para cumplir con el acuerdo de Paris que entrará en vigor próximamente. Reducir la producción de metano supone que esa energía que se escapa se redirige a la síntesis de otros compuestos que sí pueden usar los rumiantes, mejorando así su eficiencia alimentaria, y reduciendo el uso de recursos naturales.

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Materiales disponibles – Curso de técnicas de medida de emisiones en sistemas agrarios (Lugo, marzo de 2019)

Materiales disponibles – Curso de técnicas de medida de emisiones en sistemas agrarios (Lugo, marzo de 2019)

Como recordaréis, el pasado mes de marzo se celebró en Lugo el curso de técnicas de medida de emisiones de gases en sistemas agrarios, incluyendo sistemas ganaderos y cultivos. El curso tuvo lugar después del VII Workshop REMEDIA (puedes consultar aquí las presentaciones del Workshop) y fue organizado de forma conjunta por Red NUEVA y la Acción Cost LivAGE. El curso tuvo una excelente demanda, de más de 50 candidat@s nacionales e internacionales para un curso de 25 plazas.

Todos los materiales están ya disponibles en la página web de NUEVA. Estos materiales incluyen las presentaciones y los vídeos grabados durante el curso. Los materiales son de libre acceso para que podáis utilizarlos tanto si asististeis al curso como si no.

Agradecemos a tod@s l@s que hicieron posible la realización del curso, y en especial la dedicación del grupo de UMH, con Raúl Moral a la cabeza, en la edición de los videos.

Un abrazo de David Yáñez y Salva Calvet

Training school on measuring greenhouse gases in agricultural systems

The COST Action LivAGE (http://cost-livage.eu) and the Network NUEVA (Network for Updating Emission Values in Agriculture) (www.rednueva.es) organize a training school in Lugo (Spain) during 28-29 March 2019 (University of Santiago de Compostela, Lugo site). The training school focuses on measuring greenhouse gas emissions and will take place immediately after the annual workshop of the Spanish network Red REMEDIA.

The aim of the training school is to offer comprehensive decision making criteria to identify the best measurement techniques in different research scenarios and practical demonstration of the use of a range of measurement techniques. The program involves two sessions dealing with both animal and agro-forestry systems in which an introductory talk will be followed by practical demonstration of a range of measuring techniques particularly suitable in Southern Europe.

The training school is limited to 20 trainees that will receive funding to cover traveling and accomodation costs.

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