A soil vulnerability and quality approach for a functional evaluation of agricultural land use of the territory in Navarre

Abstract

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.

This thesis addresses the need to know and accurately assess the functioning of soil as a support for different agricultural uses in the region, and to explore its potential both from the point of view of climate change mitigation and from the point of view of improving the resilience of agrosystems (adaptation to climate change). With the objective of exploring these aspects in detail, the thesis is structured in several chapters. The main chapters are grouped into two parts, the first one constituted by chapters II and III, and the second one by chapters IV, V and VI. The first part, chapters II and III, focuses on the study of soil organic carbon dynamics, exploring in detail the mechanisms and controls that regulate this process in a calcareous cultivated Mediterranean soil, characteristic of the region. In addition, given the relevance of irrigation in Navarre, the interaction that the transition from rainfed to irrigated land has on soil organic carbon incorporation dynamics in this soil was studied. For this purpose, an ad hoc experimental design was implemented in Enériz, Navarra, in 2009, designed to carry out a natural isotopic labelling study based on a change from C3 to C4 plants. The results indicated that the carbonates present in this soil seem to be a key factor in the stabilization process of organic matter in this soil, promoting a rapid incorporation and stabilization of crop residues in stable aggregates of different sizes. In addition, it was observed that irrigation induced changes, with a positive trend, in soil carbon stocks, both in total and particulate fraction, over the 7-year study period. Crop type and agricultural management were the main drivers of this process under the edaphoclimatic conditions of the studied area. The second part of this thesis, chapters IV, V and VI, focuses on the evaluation of mitigation and adaptation strategies to climate change in the agricultural systems of Navarra, and their relationship with soil functioning. Chapter IV focuses on evaluating the impact of the introduction of irrigation in the region, from a broad point of view of soil quality, including the assessment of different ecosystem services associated with this land use, based on the concept of Soil Security. In it, the analysis of different cropping systems linked to irrigation in the region, considered as a tool to guarantee an increase in both crop yields and net profits for the farmer, is carried out. The analysis includes the quantification of greenhouse gas emission balances, considering in such balances the estimation of an annual carbon sequestration rate linked to each soil type and management considered. The results indicate that the potential of irrigation to provide key ecosystem services to society, such as erosion control and climate regulation, is variable and dependent on the accompanying agricultural management. Finally, chapters V and VI of this thesis are focused on the development and analysis of a series of soil indicators in order to quantify the effectiveness of different adaptation strategies to climate change on the vulnerability of agricultural systems in the region. The strategies considered are the application of external sources of organic matter, the introduction of irrigation, conservation agriculture, the use of crop rotations and controlled pasture management. Chapter V examines the organic carbon stock as a soil indicator of vulnerability, while chapter VI considers the analysis of soil physical indicators, in this case bulk density and soil water retention capacity. The results obtained highlight the importance of climate and soil type in assessing the vulnerability of agricultural systems in the Navarra region. Similarly, despite the overall positive effect observed associated with the five strategies considered, the variability observed in terms of adoption and effectiveness of the strategies seems to be modulated by geographical and management factors.