How do biodegradable organic residues affect soil CO2 emissions? Case study of a Mediterranean agro-ecosystem

Abstract

Soil respiration is the main carbon flux in the second largest terrestrial carbon pool, soil environment. Emissions of CO2 from soils are five times higher than from anthropogenic emissions (USDOE, 2008). Despite increasing atmospheric CO2 concentrations, the dynamics and driving forces for soil CO2 emissions are not well understood. This work investigates the evolution of soil respiration (Rs) in a semiarid Mediterranean agro-ecosystem after the application of three different biodegradable organic residues (BOR): municipal solid waste compost (MSWC), anaerobically (ANSS) and aerobically (AESS) digested sewage sludge. We also studied how these amendments affect the relationship between Rs and soil climate variables. The results showed a clear increase in Rs at very short time after the application, especially in AESS-treated soils. Annual evolution of Rs was highly correlated with the carbon fractions of the BORs applied, with the highest effect seen in AESS-treated soils after the application, and a moderate but more persistent effect in MSWC. ANSS showed an intermediate behaviour. The type of amendment explained 54.7% of Rs variability. The application of BOR also changed the relationship between Rs and soil climate conditions. The results showed that BOR application produced an increase in Rs positive dependence on soil temperature (Ts) and the Birch effect, and a decrease in the negative dependence on soil moisture (Ms). In untreated soils (CONT) Ts-Ms interaction was the main factor which drove Rs evolution. The results suggest using highly composted wastes (MSWC) as the best option of those analysed for medium-term carbon management in agricultural practices.El artículo analiza cómo la aplicación de residuos orgánicos biodegradables (BOR) afecta a la respiración del suelo (Rs) en un agroecosistema semiárido mediterráneo y cómo estos materiales modifican la relación entre Rs y las variables climáticas del suelo. En un suelo agrícola calcáreo del sureste de Madrid se aplicaron tres tipos de BOR representativos de residuos urbanos: compost de residuos sólidos urbanos (MSWC), lodo de depuradora anaerobio (ANSS) y lodo aerobio (AESS). La respiración del suelo se monitorizó durante un año con medidas quincenales mediante un analizador infrarrojo (Li-COR 8100), junto con registros continuos de temperatura y humedad del suelo y datos meteorológicos de superficie. ​Los resultados muestran un aumento muy acusado de Rs poco después de la aplicación de los BOR, especialmente en los suelos tratados con lodo aerobio (AESS), que presentaron los mayores picos iniciales de emisiones de CO₂. La evolución anual de Rs se correlacionó estrechamente con las fracciones de carbono de los BOR aplicados: AESS generó el efecto más intenso a corto plazo, MSWC produjo un incremento más moderado pero persistente en el tiempo, y ANSS mostró un comportamiento intermedio. El tipo de enmienda explicó un 54,7% de la variabilidad de Rs, evidenciando el papel decisivo de la calidad y composición del carbono aportado. La aplicación de BOR alteró también la relación entre Rs y las variables climáticas del suelo. En el suelo control, la interacción temperatura–humedad (Ts–Ms) era el principal factor que controlaba la evolución de Rs, mientras que tras la aplicación de enmiendas aumentó la dependencia positiva de Rs respecto a la temperatura, así como la intensidad del efecto Birch (pulsos de CO₂ tras rehumectación), y disminuyó la dependencia negativa respecto a la humedad. Esto indica que, en suelos enmendados, la disponibilidad de carbono lábil procedente de los BOR adquiere un papel central en la respuesta de la respiración a las variaciones climáticas. Los autores concluyen que, entre las opciones estudiadas, el uso de residuos altamente compostados (MSWC) es la estrategia más adecuada para la gestión del carbono a medio plazo en suelos agrícolas mediterráneos, al combinar incrementos moderados de Rs con una mayor persistencia del carbono incorporado.