Groundcover influence on physical and chemical soil properties, runoff and nutrient loss and grape yield and quality in semiarid Mediterranean vineyards

La erosión es una de las principales formas de degradación del suelo que tiene lugar en ambientes Mediterráneos semiáridos. En este sentido, los viñedos son los cultivos que suelen alcanzar las tasas más elevadas de pérdida de suelo como consecuencia de permanecer desnudos o con una cubierta vegetal muy baja la mayor parte del año, un manejo convencional consistente en un laboreo continuo que degrada la estructura del suelo y favorece la mineralización de la materia orgánica, que ya de por sí suele registrar bajos niveles. Además, muchas zonas vitícolas están asentadas sobre laderas con fuertes pendientes. Como consecuencia, en numerosos emplazamientos las tasas de erosión llegan a ser muy superiores a la velocidad de formación del propio suelo, comprometiendo así la viabilidad de la producción y la calidad de los viñedos a medio y largo plazo. En la literatura científica, la erosión en viñedos ha tenido un papel destacado en los últimos años. La pérdida de nutrientes está asociada también con la erosión. Este problema genera déficits en la nutrición de la planta y el agricultor se ve obligado a reponer esos nutrientes de forma artificial. Además, los nutrientes disueltos en la escorrentía, tales como el nitrógeno y el fósforo, pueden provocar un deterioro en las masas de aguas a las que escurran provocando eutrofización. Aunque algunos autores han medido pérdidas de nitrógeno mineral muy importantes en una sola lluvia, la pérdida de nutrientes en cultivos leñosos en ambientes semiáridos ha sido poco estudiada hasta el momento. El incremento de la materia orgánica es un elemento imprescindible para la mejora de las propiedades físicas y químicas del suelo, mejorar la estructura y reducir las tasas de erosión y pérdida de nutrientes. Con el fin de revertir los procesos de degradación se propone el uso de cubiertas vegetales para potenciar la mejora en la calidad del suelo a través del incremento de materia orgánica y, por lo tanto, una disminución de la escorrentía y la pérdida de nutrientes. Sin embargo, este manejo alternativo supone un cambio en los paradigmas tradicionales de manejo del suelo y podrían afectar a la producción de uva y su calidad. Para evaluar esta problemática se realizaron dos estudios experimentales de campo. El primero localizado en dos subzonas de la Denominación de Origen Vinos de Madrid, en la Comunidad de Madrid, España. A lo largo de tres campañas agrícolas en cuatro viñedos situados en pendiente, se ensayó con dos cubiertas vegetales permanentes en comparación con el laboreo convencional aplicando entre 2 y 3 pases de chisel al año. Las cubiertas utilizadas fueron: vegetación espontánea y sembrada con Brachypodium distachyon. Se analizó la materia orgánica del suelo, la estabilidad de agregados, la macro, meso y microporosidad, la capacidad de retención de agua, la resistencia a la penetración y la capacidad de infiltración. Además, se diseñó, construyó y calibró un simulador de escorrentía con el que se realizaron experimentos en cadena para la determinación de escorrentía y pérdida de nitrógeno mineral disuelto. En los cuatro viñedos del centro de España, el uso de cubiertas vegetales permanentes provocó una mejora de las propiedades y funcionalidad del suelo en cascada. El incremento en el input de materia orgánica dio lugar a un aumento en el stock de carbono del suelo, lo cual incrementó significativamente la estabilidad de los agregados del suelo. La falta de laboreo no alteró la porosidad del suelo; sin embargo, sí generó una redistribución de los poros y una mayor conexión que, junto con el efecto de los tallos y las raíces, provocó un aumento drástico de las tasas de infiltración en ambas cubiertas vegetales en comparación al laboreo. Estas mejoras se vieron reflejadas en las simulaciones de escorrentía en las que las cubiertas vegetales redujeron la escorrentía generada en el laboreo siendo la pérdida de nitrógeno mineral mayor. Debido a que la cubierta vegetal compuesta por vegetación espontánea fue la que mostró los mayores inputs de materia orgánica, mostró los incrementos más significativos. La cubierta vegetal sembrada obtuvo, por lo general, valores intermedios entre la vegetación espontánea y el laboreo. El segundo experimento, llevado a cabo en el sur de Sicilia, consistió en el análisis de 50 pares de muestras provenientes de viñedos manejados con cubierta vegetal temporal de leguminosas y laboreo convencional. Se calculó la concentración de materia orgánica y se valoraron sus incrementos cinco años después del inicio del experimento. Los incrementos de materia orgánica que tienen lugar mediante el uso de cubierta vegetal temporal fueron significativos, si bien inferiores a los que tuvieron lugar en las cubiertas permanentes. Se comprobó que estos incrementos pueden, en suelos muy erosionables, dar lugar a la exportación de sedimentos muy enriquecidos en materia orgánica dando lugar a pérdidas de carbono superiores en viñedos manejados con cubierta vegetal. ABSTRACT Erosion is one of the main forms of soil degradation in semiarid Mediterranean areas. The joint occurrence of several factors makes vineyards one of the land uses with highest erosion rates: bare soil the most of the year, continuous tillage promoting soil organic matter mineralization and soil structure degradation, low organic inputs and climate which promote organic matter mineralization, vine-producing regions are planted usually on hilly topography areas and high rainfall intensities. All together promotes erosion rates higher than soil formation rates. Thus, soil vineyards and grape quality sustainability at medium to long term is threatened. Erosion in vineyards has been highlighted in scientific literature in the last years. Although several researchers reported high mineral nitrogen losses in single events, nutrient loss in semiarid vineyards have not been properly addressed. Nutrient loss results in on-site effects, with the loss of fertility that will have to be replaced by the farmer. Besides, there are off-site effects due to runoff dissolved nutrients such as nitrogen or phosphorous pollute groundwater, rivers and reservoirs. Soil organic matter increase has a main role to improve physical and chemical soil properties and soil structure and to reduce erosion and nutrient loss. We propose the use of groundcovers to revert degradation processes and increase soil quality throughout the enhancement of soil organic matter. Nevertheless, alternative soil management strategies such as groundcovers are difficult to implement because are usually questioned by farmers and can have an impact on grape yields and quality. Two field trials were performed. The first one was located in the Denomination of Origin Wines of Madrid, in Madrid Region, central Spain. The trial was performed along three agronomic seasons in four vineyards located in sloping areas, in which two permanent groundcovers were compared with conventional tillage. Groundcovers were: spontaneous vegetation groundcover and seeded Brachypodium distachyon groundcover. Soil organic matter stocks, aggregate stability, macro, meso and microporosity, water holding capacity, penetration resistance and infiltration rates were measured. Moreover, a runoff simulator was designed, built and calibrated to simulate runoff in field conditions and analyze runoff and mineral nitrogen loss. The second trial was performed in Sicily. Fifty paired samples were taken from temporary leguminous groundcovers and conventional tillage. A SOC threshold was calculated to assess in which conditions higher carbon loss with temporary groundcovers than with conventional tillage can be found. Additionally the increase in soil organic matter 5 years of groundcover establishment was also addressed. In central Spain, the use of groundcovers improved strongly soil properties. The increase in organic inputs promoted an increase in soil organic matter stocks, which enhanced significantly aggregate stability, and thus, soil structure. Tillage cessation did not affect soil porosity; however, soil pores had higher connection which increased infiltration rates. These improvements influenced decisively the reduction in runoff and mineral nitrogen loss. Runoff was reduced up to three times the runoff measured with tillage but the mineral nitrogen loss with groundcovers was up to six times lower than with tillage. Spontaneous vegetation groundcover resulted in the largest soil improvements as a consequence of higher organic inputs. Seeded groundcover showed generally intermediate values between spontaneous vegetation and conventional tillage. The increases of organic matter with temporary groundcovers significant regarding tillage although were lower than those measured in permanent groundcovers. Erodible soils such as silty soils or those with poor soil structure under temporary groundcovers could result in higher carbon loss than with conventional tillage