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Organic carbon storage and dynamics as affected by the adoption of irrigation in a cultivated calcareous mediterranean soil
(Frontiers Media, 2022) Antón Sobejano, Rodrigo; Derrien, Delphine; Urmeneta Martín-Calero, Henar; Van der Heijden, Gregory; Enrique Martín, Alberto; Virto Quecedo, Íñigo; Zientziak; Estatistika, Informatika eta Matematika; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD; Ciencias; Estadística, Informática y Matemáticas; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Irrigation is in the spotlight of land-use planning in semi-arid and sub-humid regions. It can be a promising practice to promote soil organic C storage (SOC), although it may also involve an increase in soil GHG emissions. Assessing the impact of its adoption on SOC storage is crucial to better understand its potential role in terms of agricultural sustainability and climate policies. In this study, we measured and modeled the changes in soil organic C storage and dynamics in the tilled soil layer (0-30 cm) of an experimental field on a calcareous soil with two different crops (maize, a C4 plant, and wheat, a C3 plant), cultivated with and without irrigation for 7 years. We hypothesized that changes in SOC storage occur when introducing irrigation and/or different crops in an agrosystem, and that they would be related to changes in the incorporation of crop residues, their partitioning between the labile and the stable fraction, and C losses bymineralization. Our results validated theses hypotheses only partially. Over the 7-year study period, irrigation significantly increased total (TOC) and sand-size (50-2,000 µm) particulate organic C (POC50-2,000) stocks in the tilled layer (0-30 cm): +7.1%TOC and +12.1%POC50-2,000 for maize, and +7.0 and +12.3% for wheat. A parallel two-pool SOC model based on TOC and POC50-2,000 fractions and the C3-C4 plant shift allowed understanding that the observed changes in SOC storage were most likely related to an increase in C inputs from crop residues, and to a more efficient incorporation of these residues with irrigation. The mean residence time of SOC in the two modeled pools did not allow to support our hypothesis of changes in SOC mineralization with irrigation. The limitations of SOC fractionation, which implied that some labile fractions might have been lost from POC50-2,000 and recovered in the fraction identified as slow-turning, together with the interaction of the carbonate-rich mineral phase of this soil can explain at least partially this observation. We conclude that irrigation can contribute to effectively increase SOC storage in themid-term, but its effectmight be dependent upon the type of crops and soil.
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Soil water retention and soil compaction assessment in a regional-scale strategy to improve climate change adaptation of agriculture in Navarre, Spain
(MDPI, 2021) Antón Sobejano, Rodrigo; Ruiz Sagaseta de Ilurdoz, Alberto; Orcaray Echeverría, Luis; Arricibita Videgain, Javier; Enrique Martín, Alberto; De Soto García, Isabel Sonsoles; Virto Quecedo, Íñigo; Zientziak; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD; Ciencias; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
The aim of this study was to evaluate the effectiveness of the different agricultural management adaptive strategies considered in the framework of a regional climate change adaptation roadmap in Navarre (Spain), from the point of view of soil physical indicators associated to soil compaction and water retention. These indicators were chosen as representative of the potential of these strategies to improve the soil physical condition. That for, the effectiveness of conservation agriculture (CA), crop rotations (ROT), additions of organic matter (ExO), irrigation (IRR) and innovative grassland management (GSS) was assessed by monitoring soil bulk density (BD) and soil available water holding capacity (AWHC) in a network of 159 agricultural fields across homogeneous agro-climatic zones in the region. A sampling protocol designed to compare groups of plots with or without adaptive practices, and with equal soil characteristics within each zone, allowed to determine the effect size of each strategy (measured as response ratios, RR, calculated as the relative value of BD and AWHC in fields with adaptive management vs. without). Both parameters responded to soil and crop management, although the observed effect was highly variable. Only the ExO strategy showed an overall positive effect on BD. ROT, IRR and GSS displayed no effect and, in the case of CA, the effect was negative. In terms of AWHC, although the results within the zones were heterogeneous, the overall effect associated to the strategies ROT, ExO, IRR and GSS was neutral, and only CA resulted in an overall negative effect. The observed variability in terms of the effectiveness of the five strategies tested in this region highlights the need to understand the complexity of interrelationships between management and dynamic soil properties at the regional scale.
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Metodología de evaluación de la capacidad del uso del suelo de la provincia de Cabo Delgado (Mozambique) según clases de capacidad agrológica.
(2010) Antón Sobejano, Rodrigo; Virto Quecedo, Íñigo; Bescansa Miquel, Paloma; Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos; Nekazaritza Ingeniarien Goi Mailako Eskola Teknikoa; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
El presente TFC es el resultado de una estancia de siete meses en el norte de Mozambique, en la provincia de Cabo Delgado, gracias a una beca del programa de Formación Solidaria, propio de la UPNA. Con cerca del 70 % de población de Mozambique viviendo en las zonas rurales, la agricultura contribuye aproximadamente en un 20 % al Producto Interior Bruto (PIB) del país y emplea aproximadamente a un 90 % de la población, de los cuales un 60 % son mujeres. La agricultura sustenta a tres millones de familias, que representan un 96,6 % de las unidades económicas del país. Estos números reflejan la baja productividad agrícola y la importancia que tiene la tierra para la mayoría de los mozambiqueños. La evaluación de tierras es el proceso de juzgar la idoneidad de un territorio para distintos usos posibles y/o alternativas, con el objetivo de seleccionar el mejor (uso) posible para cada unidad de tierra, teniendo en cuenta consideraciones de carácter físico y socioeconómico, así como la conservación del recurso para su uso futuro (FAO, 1976). Por lo tanto, un objetivo de la evaluación de tierras es el ordenar el recurso tierra y optimizar su uso, teniendo como base la mejora en la planificación y el manejo del territorio. Se disponen a nivel mundial de un gran número de sistemas de evaluación desarrollados con diferentes enfoques, métodos convencionales (cualitativos) bien establecidos, índices de productividad, modelos de simulación matemática, etc. El método de Clases de Capacidad Agrológica fue elaborado por el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), en la década 1940-1950. La adaptación de este método a la provincia de Cabo Delgado comprende dos fases de trabajo, una primera en la que se filtra toda la información disponible para realizar la clasificación, caracterizando los distintos parámetros con los que trabaja el método a nuestro caso de estudio. Y una segunda de evaluación y análisis, donde se cruza toda la información para incluir las unidades de suelo de la provincia en las distintas clases agrologicas y se genera un mapa final.
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A fertilisation strategy combining mineral fertiliser and biosolid improves long-term yield and carbon storage in a calcareous soil
(MDPI, 2023) Zaragüeta, Armelle; Enrique Martín, Alberto; Portell Canal, Xavier; Antón Sobejano, Rodrigo; Virto Quecedo, Íñigo; Orcaray Echeverría, Luis; Ciencias; Zientziak; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD
At a strategic moment for agricultural soils, which are expected to contribute to climate change mitigation through carbon storage while safely feeding a growing world population, the fertiliser strategies used will be key. In a calcareous soil with extensive rainfed agricultural use and straw removal, different fertiliser strategies were evaluated with the aim of determining their effects on crop yield, nitrogen agronomic efficiency, and the storage of organic carbon and total nitrogen in the soil. Different doses of mineral fertiliser, expressed as kg of mineral nitrogen ha−1 year−1 (0, 60, 120, 180, and 240 nitrogen fertilising units (NFUs)), were applied to plots with and without biosolid amendment. The biosolid, applied at a rate of 40 Mg ha−1 every 3 years for 18 years, complied with national and European regulations to be applied on agricultural soil. The use of combined fertilisation reduced the amount of mineral fertiliser applied between 33 and 67% and the total fertiliser units between 7 and 40%, while maintaining similar yields to the reference mineral fertilisation (180 NFUs). These results could be related to a higher nitrogen agronomic efficiency in the combined fertilisation treatments that do not exceed the total NFUs required by the crop. Combined fertilisation was also an effective fertiliser technique to store total nitrogen and organic carbon in the soil. However, compared to the reference mineral fertilisation (180 NFUs), no significant changes in the soil organic carbon were observed, probably due to the crop management method in which the straw is removed and to higher gas emissions. Our results support the need to assess the efficacy of each agricultural technique at local scales in order not to overestimate or underestimate the potential of each agricultural technique to store soil organic carbon.
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Irrigation and SOC sequestration in the region of Navarre in Spain
(FAO, 2021) Virto Quecedo, Íñigo; Antón Sobejano, Rodrigo; Enrique Martín, Alberto; Orcaray Echeverría, Luis; Arias Fariñas, Nerea; Ciencias; Zientziak
The project REGADIOX, funded by the European Commission LIFE Program was based on the establishment of a regional-scale network of representative agricultural plots in three irrigation districts in Navarre (NE Spain). The project allowed for a rational evaluation of soil organic C (SOC) sequestration and greenhouse gases (GHG) emissions balances by using paired comparisons in terms of soil characteristics in irrigated vs rainfed plots. The results showed a clear influence of irrigation in soil condition, arising from greater SOC storage. The net effect was however modulated by soil characteristics and management practices, in so far as the different agricultural strategies did have different potential to sequester SOC and/or reduce GHG emissions. While permanent crops with green cover (which was possible thanks to irrigation) or semi-permanent crops as alfalfa were win-win strategies with positive C balances, intensive systems with two crops per year, although they also contributed to SOC gains, represented increased GHG emissions. The observed changes in SOC associated to irrigation with different managements also showed that irrigation adoption can alter the soils’ capacity to provide key ecosystem services beyond biomass production, as changes in soils properties related to SOC, such as water-holding capacity or soil erodibility were also observed. These changes were, however, not straightforward and varied depending on soil type, climate and time under irrigation.
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Changes in the soil inorganic carbon dynamics in the tilled layer of a semi-arid Mediterranean soil due to irrigation and a change in crop: uncertainties in the calculation of pedogenic carbonates
(Elsevier, 2024) De Soto García, Isabel Sonsoles; Barré, Pierre; Zamanian, Kazem; Urmeneta Martín-Calero, Henar; Antón Sobejano, Rodrigo; Enrique Martín, Alberto; Virto Quecedo, Íñigo; Ciencias; Zientziak; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD; Estadística, Informática y Matemáticas; Estatistika, Informatika eta Matematika; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Soil inorganic carbon (SIC) accounts for more than one-third of the total soil carbon pool, but the effect of agricultural management on carbonates dynamics in Mediterranean semi-arid calcareous soils has largely been ignored and remains unclear. However, SIC plays a key role in physical, chemical and, biological properties of soils, which in turn can affect plant growth and productivity. Based on a 7-year field experiment in a paired irrigated and non-irrigated trial, with two different crops (maize and wheat), we investigated the effects of the land use change (from non-irrigated wheat to irrigated maize) on the SIC dynamics in the topsoil (0¿30 cm) of a carbonate-rich soil in Navarre, northern Spain. The results obtained using the accepted equation for determining carbonate type showed that during the 7-year study period, irrigation application and the crop change modified the carbonate typology (lithogenic and pedogenic) in a very short period, without affecting the total SIC content. The main drivers of pedogenic carbonate formation in this case appear to be the water volume and the type of organic matter entering the soil (from C3 plants or C4 plants). However, the equation seems to be strongly dependent on the type of soil organic carbon, which can introduce uncertainties when used to determine the proportion of pedogenic carbonates in soils experiencing a crop change from C3 to C4 plants.
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Oinez Basoa: using school-managed afforested land for soil education in Navarre, Spain
(Universia España, 2019) Virto Quecedo, Íñigo; Imbert Rodríguez, Bosco; Peralta de Andrés, Francisco Javier; De Soto García, Isabel Sonsoles; González Tejedor, Iñaki; Antón Sobejano, Rodrigo; López Goñi, Irene; Martínez, Maite; Arias, Isabel; Enrique Martín, Alberto; Ciencias; Zientziak; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
El estudio del suelo en la educación secundaria es un tema de debate ya que, a pesar de la creciente preocupación por el suelo en las ciencias ambientales, sigue siendo poco considerado en los planes de estudio y programas oficiales de educación preuniversitaria. En este trabajo presentamos los resultados de un estudio de caso realizado con una clase de 4º grado de educación secundaria obligatoria, donde se utilizó una secuencia didáctica que incluye datos reales obtenidos en una cronosecuencia de reforestación. La repoblación forestal formó parte de las actividades realizadas por la red de escuelas a las que pertenecía la escuela, con el objetivo de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero resultantes de su actividad anual de recaudación de fondos. En un primer paso, se determinaron una serie de indicadores edáficos y de la vegetación en el suelo reforestado, utilizando un enfoque de espacio por tiempo con un suelo cultivado cercano (correspondiente a la situación original del suelo reforestado) y un bosque maduro (similar a la situación objetivo de la reforestación). Se observó que los índices de biodiversidad de plantas, carbono de la biomasa microbiana y C orgánico total, y los de descomposición de la materia orgánica en el suelo reforestado se encontraron en una situación intermedia entre el suelo cultivado y el bosque maduro. En particular, se verificó un secuestro efectivo de C atmosférico a partir de una diferencia de 12,41 ± 1,06 Mg de C orgánico por hectárea en el suelo reforestado en comparación con el control cultivado. Los datos emitidos a partir de este análisis se utilizaron para preparar una actividad de aprendizaje cooperativo de tipo puzzle, que se integró en la secuencia didáctica diseñada para introducir los conceptos de sucesiones ecológicas y el ciclo del carbono. Esta propuesta se centró especialmente en el papel del suelo como omponente del ecosistema y dentro del ciclo del C. El éxito de la implementación de esta secuencia se probó utilizando test de conocimientos previos y finales. Los resultados de estas pruebas mostraron una mejora general (42,8 puntos en la prueba final frente a 23,3 en la prueba inicial) en relación con los conceptos evaluados. Sin embargo, se observaron diferencias en relación a la progresión realizada por los estudiantes, que fue mejor en las preguntas relacionadas con los ecosistemas que en las directamente relacionadas con el suelo como consecuencia del peor conocimiento previo sobre el suelo. A partir de estos resultados, llegamos a la conclusión de que el desarrollo de herramientas educativas que permitan a los estudiantes de secundaria abordar casos reales en las que el suelo se considera un componente clave del ecosistema, puede ser eficaz para avanzar hacia un aprendizaje significativo sobre los suelos y las propiedades del suelo, que parecen no suficientemente entendidos por los alumnos de educación secundaria.
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Effect of the long-term application of sewage sludge to a calcareous soil on its total and bioavailable content in trace elements, and their transfer to the crop
(MDPI, 2021-03-30) Zaragüeta, Armelle; Enrique Martín, Alberto; Virto Quecedo, Íñigo; Antón Sobejano, Rodrigo; Urmeneta Martín-Calero, Henar; Orcaray Echeverría, Luis; Ciencias; Zientziak; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD; Estadística, Informática y Matemáticas; Estatistika, Informatika eta Matematika
Sewage sludge (SS) can be used as an organic amendment in agricultural soils, provided they comply with the relevant legislation. This use can incorporate traces of metals into the soil, which can cause environmental or human health problems. In the study period between 1992 and 2018 (26 years), it was observed that the use of SS as an organic fertilizer significantly increased the total concentration of Zn, Cu, Cr, Ni and Hg of this study between 55.6% (Hg) and 7.0% (Ni). The concentration of Zn, Cu, Pb, Ni and Cd extracted with DTPA, also increased between 122.2% (Zn) and 11.3% (Cd). In contrast, the Mn concentrations extracted with Diethylene Triamine Pentaacetic Acid (DTPA)were 6.5% higher in the treatments without SS. These changes in the soil had an impact on the crop, which showed a significant increase in the concentration of Zn, Cu and Cr in the grain, between 15.0% (Cr) and 4.4% (Cu), and a decrease in the concentration of Mn, Cr and Ni in the barley straw when SS was added to the soil between 32.2% (Mn) and 29.6% (Ni). However, the limits established by current legislation on soil protection and food were not exceeded. This limited transfer to the crop, is likely due to the high content of carbonates and organic matter in the soil, which limit the bioavailability of most of the trace metals (TM) in the soil. As a conclusion, we observe that the use of SS as an organic amendment increased the concentration of some TM in the soil, in its bioavailable forms, and in the crop.
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A soil vulnerability and quality approach for a functional evaluation of agricultural land use of the territory in Navarre
(2021) Antón Sobejano, Rodrigo; Virto Quecedo, Íñigo; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Esta tesis responde a la demanda de conocer y evaluar con precisión, el funcionamiento del suelo como soporte de los diferentes usos agrícolas en la región de Navarra y explorar su potencial tanto desde el punto de vista de la mitigación del cambio climático como desde la mejora de la resiliencia de los agrosistemas (adaptación al cambio climático). Con el objetivo de profundizar en estos aspectos, la tesis se estructura en varios capítulos. Los capítulos principales se agrupan en dos partes, una primera constituida por los capítulos II y III, y una segunda formada por los capítulos IV, V y VI. La primera parte, capítulos II y III, se centra en el estudio de la dinámica del carbono orgánico del suelo, explorando en detalle los mecanismos y controles que regulan este proceso en un suelo Mediterráneo cultivado calcáreo, característico de la región. Además, dado la relevancia que el riego tiene en la misma, se estudió la interacción que la transición del secano al regadío supone en la dinámica de incorporación de carbono orgánico en dicho suelo. Para ello se dispone de un diseño experimental ad hoc, que fue implementado en Enériz, Navarra, en 2009, diseñado para realizar un estudio de marcaje isotópico natural a partir de un cambio de plantas C3 a C4. Los resultados indican que los carbonatos presentes en este suelo, parecen comportarse como un factor clave en el proceso de estabilización de la materia orgánica en el horizonte labrado, promoviendo una rápida incorporación y estabilización de los residuos de los cultivos en agregados estables de diferentes tamaños. Además, se observó que el riego puede inducir cambios, con tendencia positiva, en el stock de carbono del suelo a lo largo del periodo de estudio de 7 años. El tipo de cultivo y la gestión agrícola en secano o regadío, fueron los principales impulsores de este proceso en las condiciones edafoclimáticas de la zona estudiada. La segunda parte de esta tesis, recogida en los capítulos IV, V y VI, se centra en la evaluación de estrategias de mitigación y adaptación al cambio climático en los sistemas agrarios de Navarra, y su relación con el funcionamiento del suelo. El capítulo IV, se centra en evaluar el impacto que la introducción del regadío tiene en la región, desde un punto de vista amplio de la calidad del suelo, incluyendo la evaluación de distintos servicios ecosistémicos asociados a dicho uso del suelo, basada en el concepto de Seguridad del Suelo. En él, se lleva a cabo el análisis de diferentes sistemas de cultivo vinculados al riego en la región, considerado como herramienta para garantizar un aumento tanto del rendimiento de los cultivos como de las ganancias netas para el agricultor. El análisis incluye la cuantificación de balances de emisiones de gases efecto invernadero, considerando en dicho balance la estimación de una tasa de secuestro de carbono anual vinculada a cada suelo y manejo considerado. Los resultados indican que el potencial del regadío para proporcionar servicios ecosistémicos claves a la sociedad, como son el control de la erosión y la regulación del clima, es variable y dependiente del manejo agrícola que lo acompañe. Finalmente, los capítulos V y VI de esta tesis se centran en el desarrollo y análisis de una serie de indicadores de suelo de cara a cuantificar la eficacia de diferentes estrategias de adaptación al cambio climático en la vulnerabilidad de los sistemas agrícolas, a escala regional. Las estrategias consideradas son la aplicación de fuentes externas de materia orgánica, la introducción del riego, la agricultura de conservación, el uso de rotaciones de cultivos y el manejo controlado de pastos.
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Pyric herbivory increases soil microbial diversity but has a site-dependent effect on soil mesofauna in the mid-term
(Elsevier, 2023) San Emeterio Garciandía, Leticia; Baquero, Enrique; Antón Sobejano, Rodrigo; Jordana, Rafael; Múgica Azpilicueta, Leire; Sáez, José L.; Virto Quecedo, Íñigo; Canals Tresserras, Rosa María; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura; Ciencias; Zientziak; Institute on Innovation and Sustainable Development in Food Chain - ISFOOD; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Woody plant encroachment threatens grassland biomes at a global scale. Pyric herbivory combines prescribed burnings and targeted grazing to restore open habitats and has proved to be successful in promoting landscape and plant community diversity. However, less is known on the effects of pyric herbivory practices on belowground biodiversity. We evaluated the midterm effect on mesofauna, bacteria and fungi of prescribed burns and targeted horse grazing regimes implemented to restore a grassland encroached by gorse (Ulex gallii Planch.). We hypothesized that 1) low-intensity shrub-to shrub burnings had no effect or had a transient effect of low magnitude on soil microbial diversity, and that 2) targeted horse grazing after burning increased soil mesofauna and microbial diversity in the midterm. We established an experiment in two shrub-encroached grasslands in western Pyrenees with three treatments (no burning and no grazing as control, burning but no grazing, and burning and grazing). We measured soil properties and soil diversity of fungi and bacteria (DNA-metabarcoding) just after fire, and vegetation structure, soil properties and soil diversity of fungi, bacteria and mesofauna after two periods of targeted grazing (a year and a half after the burning). The response to pyric herbivory differed among soil organisms. Fungi were more sensitive to burning than bacteria, but both recovered a year and a half after burning –fungi only recovered in the presence of grazing–. Grazing increased soil fungi and bacteria diversity indexes (~20 % and ~5 % increase, respectively) at the two sites. A year and a half after burning, burned and ungrazed areas had a 30 % more mesofauna diversity than control areas whereas grazing of the burned areas decreased mesofauna diversity by 30 % at one of the sites compared to the control. Since the responses to pyric herbivory vary among soil organisms, a wide range of management intensities across space and time are recommended for maximizing soil biodiversity.