Impacto de la estructuración de la cobertura vegetal del suelo sobre la economía del agua en cultivos invernales del semiárido austral pampeano

Abstract

El grado de cobertura del suelo y las características geométricas o estructura del rastrojo pueden impactar sobre el microclima de la interfase suelo-atmósfera e influir en la dinámica de uso del agua por los cultivos. Aunque se conoce el efecto benéfico de los rastrojos en ambientes semiáridos, aún no está claro cómo impacta la cantidad y la estructura del material vegetal muerto dispuesto sobre el suelo. El objetivo general de esta tesis fue dilucidar el modo en que los parámetros físicos de la estructura de los rastrojos impactan sobre la conservación y uso del agua y el suelo bajo labranza cero en el secano del extremo austral pampeano. Bajo condiciones de labranza cero en secano se realizó un ensayo de rotaciones de cuatro ciclos de duración con cereales invernales y evaluaciones en 31 cultivos comerciales de cereales invernales localizados en Villarino y Patagones. En dos ciclos consecutivos de rotaciones agrícolas bianuales se evaluó el efecto combinado del rastrojo de cultivos de invierno de trigo, centeno y avena bajo tres disposiciones o arreglos espaciales; vertical (sin tocar), horizontal (rolado) y pastoreo mecánico. El centeno tuvo una altura final (> 150 cm) equivalente al doble de los otros antecesores. La biomasa de rastrojo aportada superó 8 Mg ha-1 en cada ciclo y fue un 20 % superior al acumulado en la secuencia de cuatro ciclos, que los otros dos antecesores (6 Mg ha-1). Además, contrariamente a trigo y avena, más de la mitad de la biomasa de rastrojo de centeno se distribuyó en un estrato superior alejado del suelo. A pesar de las diferencias en el aporte y estructura de la biomasa de rastrojo de los antecesores, no se observaron diferencias en la cobertura lograda, que estuvo entre 75 y 80 % durante el período de barbecho. El pastoreo del rastrojo dejó al suelo más desnudo, debido a que se redujo aproximadamente el 50 % del aporte de biomasa. Al aplanar el rastrojo se incrementó la cobertura entre 20 y 30 %, alcanzando el abrigo casi total del suelo. Bajo esta disposición se redujo la biomasa final del barbecho, posiblemente debido a una mayor tasa de descomposición del rastrojo en mayor contacto con el suelo. La estructura de la cobertura vegetal impactó en la temperatura del suelo y la velocidad laminar del viento. La altura del rastrojo, principalmente, y la densidad de vástagos fueron determinantes del índice de área de tallo. Se observó un efecto decreciente de la temperatura del suelo y del diferencial respecto al aire (ΔT°) entre pastoreo > vertical > horizontal. El rastrojo horizontal redujo la temperatura del suelo entre 1 y 5 °C respecto al vertical y amortiguó el efecto de la temperatura ambiental sobre el suelo (< ΔT°). La reducción de la velocidad del viento en superficie fue entre 70 y 90 % para la disposición vertical, es decir, hasta 30 % mayor respecto al horizontal y pastoreo. La temperatura del suelo y la velocidad del viento mostraron correlación con la eficiencia de barbecho. El pastoreo mostró menor eficiencia de barbecho asociado al incremento de la temperatura del suelo, que fue entre 4 y 14 °C mayor a las otras dos disposiciones y superó la temperatura ambiental (ΔT° entre 1,6 y 2). La disposición horizontal del rastrojo aumentó el almacenamiento total de agua en las capas superiores del suelo (0 – 40 cm) hasta 13 días luego de una precipitación extrema. Se desarrolló un prototipo de escáner LiDAR a fin de parametrizar los componentes físicos de la estructura del rastrojo. Mediante el indicador volumen aparente, obtenido por este prototipo, se incorporó una nueva dimensión que describe la distribución vertical de la cobertura. Se realizaron mediciones bajo condiciones experimentales a campo que demostraron la relación del indicador volumen aparente con la eficiencia de barbecho. A partir de ello se propuso un rango de volumen aparente entre 0,025 m3 (17 cm altura, 1 Mg ha-1 de biomasa del estrato superior y 0,24 de índice de área de tallo) y 0,12 m3 (40 cm de altura, 4 Mg ha-1 de biomasa del estrato superior y 0,64 de índice de área de tallo) dentro del cual se observó un impacto sobre la eficiencia hídrica del barbecho. En los cultivos comerciales se observó un predominio del trigo (80 %). La eficiencia de barbecho fue de 24 % pero no se relacionó con la cobertura del rastrojo. Si bien los niveles de biomasa (3,5 Mg ha-1) y grado de cobertura (60 %) podrían ser considerados adecuados, en el 80 % de los casos la cobertura se ubicó por debajo del rango de referencia de volumen aparente, de acuerdo con las características de la estructura del rastrojo observadas. Estos valores de referencia permitirían sentar las bases para el manejo de la estructura del cultivo, cosecha y manejo del rastrojo durante el barbecho, que definen la estructura de la cobertura vegetal que determina la conservación del agua durante el barbecho.

The soil cover level and the geometric characteristics of the stubble structure can impact on the microclimate of the soil-atmosphere interface and may influence the dynamics of crop water use. Although the beneficial effect of stubble in semi-arid environments is known, it is still unclear how is the impact of the amount and structure of dead plant material over the soil. The general objective of this thesis was to elucidate the way in which the physical parameters of stubble structure impact on the conservation and water use economy under no-tillage in the dryland of the southern Pampean region. Under dryland no-tillage conditions, a set of agricultural rotations comprising four successive winter cereals and evaluations on 31 commercial crops of winter cereals were carried out in Villarino and Patagones. The combined effect of three spatial arrangements of wheat, rye and oat stubble under vertical (untouched), horizontal (rolled), and mechanical grazing treatments were evaluated under. Rye had a final height (> 150 cm) equivalent to twice that of the other predecessors. The stubble biomass contributed exceeded 8 Mg ha-1 in each cycle and was 20 % higher in the cumulative four-cycle sequence than the other two predecessors (6 Mg ha-1). In addition, contrary to wheat and oats, more than half of the rye stubble biomass was distributed in an upper stratum away from the soil. Besides the differences in stubble biomass contribution and structure of the predecessors, no differences were observed in the cover achieved (between 75 and 80 %) during fallow. Grazing treatment left the soil nude, because near of 50 % of the total aerial biomass was removed. The stubble flattening increased the soil cover by 20 to 30 %, reaching almost a total coverage. Under this arrangement, the aerial biomass at the endo of the fallow was reduced, possibly due to a higher decomposition rate of the stubble. The stubble arrangement impact on the soil temperature and laminar wind velocity. Stubble height, mainly, and stem density were determinants of stem area index. A decreasing effect of soil temperature and air temperature differential (ΔT°) was observed between grazing > vertical > horizontal. Horizontal stubble reduced soil temperature by 1 to 5 °C compared to vertical stubble and attenuated the effect of ambient soil temperature (< ΔT°). The reduction in surface wind velocity was between 70 and 90 % for the vertical arrangement, i.e. up to 30 % higher compared to horizontal and grazing. Soil temperature and wind velocity showed a correlation with fallow efficiency. Grazing showed lower fallow efficiency associated with increased soil temperature, which was between 4 and 14 °C higher than the other two arrangements and exceeded the ambient temperature (ΔT° between 1.6 and 2). The horizontal stubble arrangement increased total water storage in the upper soil layers (0 - 40 cm) for up to 13 days after extreme rainfall. A prototype LiDAR scanner was developed to parameterize the physical components of the stubble structure. Using the apparent volume indicator, obtained by this prototype, a new dimension was incorporated, referring to the vertical distribution of the cover. Measurements of stubble structure were made under experimental field conditions and its relationship with the apparent volume indicator was demonstrated. From this, an apparent volume was proposed between 0.025 m3 (17 cm height, 1 Mg ha-1 of top layer biomass and 0.24 stem area index) and 0.12 m3 (40 cm height, 4 Mg ha-1 of top layer biomass and 0.64 stem area index) where the impact on the water efficiency of the fallow was observed. A predominance of wheat (80 %) was observed in the commercial crops. Fallow efficiency was 24 % and was not related to stubble cover. Although biomass levels (3.5 Mg ha-1) and level of cover (60 %) were adequate, 80 % of the covers were below the reference range of apparent volume, according to the characteristics of the stubble structure evaluated. These reference values would provide the basis for crop structure management, harvesting, and stubble management during fallow, which define the structure of the vegetation cover that determines water conservation during fallow.