Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

Resumen Técnico: Incorporación de una Sola Vez de Alta Dosis de Residuos de Vegetales en Tierras Áridas

Planteamiento del Problema
China genera más de 340 millones de toneladas de residuos de vegetales anualmente, lo que representa la segunda fuente de residuos agrícolas después de las pajas de cultivos básicos. Aunque estos residuos contienen reservas significativas de nutrientes (N, P, K) y materia orgánica, su alto contenido de humedad (>85%) y bajo contenido de materia seca (<15%) dificultan la eficiencia de los métodos tradicionales de incorporación al campo. La eliminación inadecuada en los mercados comerciales y regiones de producción causa una grave contaminación ambiental. Además, la Meseta de Loess, una importante región de producción de vegetales, enfrenta la degradación del suelo debido al cultivo intensivo y a la fertilización inadecuada, con rendimientos actuales que a menudo se sitúan por debajo del 60% de su potencial. Existe una necesidad crítica de determinar estrategias óptimas para el reciclaje de residuos de vegetales que equilibren la mitigación ambiental (emisiones de gases de efecto invernadero) con la productividad agrícola en ecosistemas semiáridos.

Metodología
Se llevó a cabo un experimento de campo de dos años (2020–2022) en la Estación Experimental de Ecosistemas Semiáridos en la Meseta de Loess (Provincia de Gansu, China). El estudio utilizó un diseño de bloques aleatorizados con maíz para ensilaje (Zea mays L.) como cultivo de prueba. Los tratamientos experimentales consistieron en una combinación factorial de:

• Tasas de Incorporación (W): Tres niveles de aplicación de una sola vez de alta dosis de residuo vegetal: W1 (800 t·ha⁻¹), W2 (1600 t·ha⁻¹) y W3 (2400 t·ha⁻¹).
• Profundidades de Incorporación (D): Tres profundidades: D1 (10 cm), D2 (20 cm) y D3 (30 cm).
• Control: Un tratamiento sin incorporación (NW) donde el suelo superficial se labró sin la enmienda de residuos.

Los residuos de vegetales consistieron en una mezcla de col de tipo "baby cabbage", coliflor, apio y lechuga espárrago recolectados de un centro de comercio local. En 2021, el maíz se cultivó bajo condiciones de siembra directa; en 2022, se introdujo la tecnología de acolchado de surcos y crestas.

Las mediciones clave incluyeron:

• Propiedades Físico-Químicas del Suelo: Temperatura, contenido de humedad, pH, potencial redox (RP), carbono orgánico disuelto (DOC) y nitrógeno inorgánico (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N).
• Emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI): Los flujos de CO₂, N₂O y CH₄ fueron monitoreados mediante cámaras estáticas y cromatografía de gases.
• Métricas de Impacto Climático: Se calcularon el Potencial de Calentamiento Global Neto (NGWP) y la Intensidad de Gases de Efecto Invernadero (GHGI), integrando las emisiones directas del suelo, las emisiones indirectas de las operaciones agrícolas y el potencial de secuestro de carbono de la incorporación de residuos.
• Productividad del Cultivo: Se midió el rendimiento de biomasa del maíz para ensilaje en la etapa láctea fisiológica.
• Análisis Estadístico: Los datos se analizaron mediante ANOVA, Modelado de Ecuaciones Estructurales (SEM), correlación de Pearson y análisis de Bosque Aleatorio (Random Forest) para determinar la importancia de los factores.

Resultos Clave

• Propiedades Físico-Químicas del Suelo: La incorporación de alta dosis alteró significativamente las condiciones del suelo. Tanto la tasa como la profundidad de incorporación se correlacionaron positivamente con la temperatura y el contenido de humedad del suelo. La incorporación de residuos indujo una respuesta bifásica en el pH del suelo (aumento inicial seguido de un descenso) y una disminución sostenida en el potencial redox. Las concentraciones de DOC y NH₄⁺-N alcanzaron su punto máximo entre 15 y 30 días después de la incorporación y fueron fuertemente dependientes de la dosis, aumentando hasta 4.8 veces (DOC) y 139.9 veces (NH₄⁺-N) en relación con el control. Por el contrario, la acumulación de NO₃⁻-N mostró una tendencia inversa con la intensidad de la incorporación.
• Emisiones de GEI: El aumento de la tasa de incorporación elevó significativamente las emisiones de CO₂, N₂O y CH₄ (5.15–12.77, 25.54–70.67 y 0.92–2.24 veces respecto al control, respectivamente). Las emisiones de CO₂ exhibieron un patrón temporal trimodal, con un pico en el día 20. Las emisiones de N₂O fueron influenciadas principalmente por la profundidad de incorporación, donde la incorporación profunda suprimió las emisiones en tasas menores (W1, W2) pero las aumentó en la tasa más alta (W3). Los flujos de CH₄ pasaron de ser positivos a negativos (sumidero) después del día 150.
• Potencial de Calentamiento Global Neto (NGWP) e Intensidad de GEI (GHGI): A pesar del aumento de las emisiones de GEI, los tratamientos de alta dosis resultaron en valores de NGWP negativos, lo que indica un efecto neto de sumidero de carbono. Hubo una fuerte correlación negativa entre la tasa de incorporación y el NGWP (r = -0.91, P < 0.01). Los beneficios del secuestro de carbono derivados de la masiva entrada de carbono orgánico superaron las emisiones asociadas.
• Rendimiento del Cultivo: Los rendimientos del maíz para ensilaje respondieron de forma parabólica a la tasa de incorporación. Las tasas moderadas (W1 y W2) aumentaron significamente los rendimientos (hasta un 112.4% en relación con el control), mientras que la tasa más alta (W3) causó reducciones en el rendimiento (17.7–41.1% por debajo del control), atribuidas a la salinización secundaria y a la acumulación excesiva de nutrientes. El rendimiento mostró una relación lineal positiva con la profundidad de incorporación.
• Estrategia Óptima: Se identificó como óptima la combinación de una tasa de aplicación de 1600 t·ha⁻¹ (W2) y una profundidad de incorporación de 30 cm (D3). Este tratamiento maximizó los beneficios de productividad del cultivo minimizando los impactos ambientales, logrando un equilibrio entre el secuestro de carbono y el rendimiento.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la incorporación de una sola vez de alta dosis de residuos de vegetales es una estrategia factible para la Meseta de Loess semiárida para abordar tanto la gestión de residuos como los problemas de fertilidad del suelo. El estudio demuestra que, si bien dicha incorporación estimula inicialmente las emisiones de GEI, el sustancial potencial de secuestro de carbono y el consecuente aumento en la productividad de los cultivos (en tratamientos moderados) compensan eficazmente estas emisiones, conduciendo a una reducción neta del potencial de calentamiento global.

Los autores afirman que esta práctica puede mejorar la fertilidad del suelo, reemplazar parcialmente los fertilizantes sintéticos y aumentar los rendimientos de los cultivos, promoviendo así la utilización sostenible de los recursos. Sin embargo, advierten que las tasas de aplicación excesivas (por ejemplo, 2400 t·ha⁻¹) pueden provocar salinización del suelo y disminución del rendimiento, subrayando la necesidad de identificar las tasas y profundidades óptimas. El estudio proporciona información crítica para equilibrar los objetivos de secuestro de carbono con la productividad agrícola, sugiriendo que la incorporación controlada de residuos de vegetales, particularmente cuando se combina con intervenciones agronómicas como el acolchado de surcos y crestas, representa una estrategia de gestión sostenible para las regiones áridas. Los autores señalan que se requiere un monitoreo a largo plazo para evaluar plenamente la sostenibilidad de estas estrategias con respecto a la saturación de carbono del suelo y las emisiones continuas de GEI.