Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Soil food web dynamics and agroecosystem functionality under climate change in Mediterranean drylands: adaptation potential of conservation and organic agriculture
Autor
LILLO APARICI, PAULA
Director
SÁNCHEZ MORENO, SARA
Fecha de depósito
24-03-2026
Periodo de exposición pública
25 de marzo a 15 de abril de 2026
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Ciencias
Mención internacional
No
Resumen
Antecedentes
El cambio climático y los cambios en el manejo del suelo están transformando profundamente la estructura, el funcionamiento y la estabilidad de los suelos agrícolas, con implicaciones directas para el carbono orgánico del suelo (SOC), el ciclo de nutrientes, la biodiversidad y el rendimiento de los cultivos. Los suelos constituyen uno de los mayores reservorios de carbono terrestre y desempeñan un papel central en la regulación de los ciclos biogeoquímicos que sustentan la producción de alimentos y la regulación climática; sin embargo, en los agroecosistemas estas funciones se ven cada vez más comprometidas por la presión combinada del cambio climático y el manejo agrícola intensivo. Los agroecosistemas mediterráneos son especialmente vulnerables a estas perturbaciones debido a sus limitaciones climáticas inherentes, que incluyen una elevada variabilidad interanual de las precipitaciones, sequías más intensas y recurrentes y altas temperaturas, factores que se prevé que se intensifiquen bajo escenarios climáticos futuros. En la región mediterránea, estos factores de estrés climático convergen con prácticas agrícolas intensivas —como la perturbación mecánica del suelo y el uso generalizado de fertilizantes sintéticos—, amenazando la sostenibilidad a largo plazo de los agroecosistemas. Una preocupación central es la vulnerabilidad de la biota del suelo, cuyas interacciones sustentan procesos ecosistémicos clave y cuya estabilidad puede verse alterada bajo estreses concurrentes. Los organismos del suelo —desde microorganismos hasta microfauna como los nematodos— regulan la mineralización de nutrientes, la estabilización y pérdida de carbono y las interacciones planta–suelo, influyendo directamente en la productividad de los cultivos y en el funcionamiento del agroecosistema. El cambio climático supone una amenaza importante al alterar tanto la composición como la actividad de la biota del suelo, comprometiendo potencialmente su resistencia y resiliencia. Aunque se prevé que múltiples factores relacionados con el cambio climático, como el calentamiento y la sequía, afecten de forma interactiva a las comunidades y procesos del suelo, las pruebas empíricas sobre sus efectos combinados siguen siendo escasas, lo que limita nuestra capacidad para predecir cómo responderán las redes tróficas del suelo y las funciones ecosistémicas asociadas ante escenarios climáticos futuros. En consecuencia, existe un interés creciente por restaurar y mejorar el funcionamiento del suelo mediante prácticas agrícolas sostenibles y adaptadas al clima que incrementen la captura de carbono, preserven la biodiversidad y mantengan la productividad. Se han propuesto ampliamente estrategias como la siembra directa, el laboreo reducido, la rotación de cultivos y el uso de enmiendas orgánicas para fortalecer la estructura del suelo, aumentar las reservas de SOC y promover comunidades microbianas y de nematofauna; sin embargo, su eficacia bajo factores de estrés climático concurrentes y sus efectos a largo plazo siguen sin estar plenamente caracterizados, especialmente en contextos mediterráneos semiáridos, donde la escasez de agua es una limitación dominante. Avanzar en estos aspectos resulta fundamental para proponer estrategias de gestión realistas que protejan los agroecosistemas frente a las perturbaciones climáticas, manteniendo al mismo tiempo sus funciones clave.
Objetivos
Esta tesis doctoral aborda una laguna crítica en el conocimiento sobre los impactos del cambio climático en los agroecosistemas mediterráneos, centrándose en las tierras de cultivo semiáridas. El objetivo general es desentrañar cómo los factores de estrés climático concurrentes —concretamente, el aumento de la temperatura y la reducción de las precipitaciones— interactúan con las prácticas de gestión del suelo para configurar el funcionamiento del suelo, las comunidades biológicas edáficas, incluidos nematodos y microbiota, y el rendimiento de los cultivos. En particular, la tesis persigue cuantificar los efectos individuales e interactivos del calentamiento y la sequía sobre los procesos del suelo, el crecimiento de los cultivos y los nematodos del suelo; evaluar el papel de la labranza como factor clave de gestión que modula la dinámica del carbono del suelo, la eficiencia metabólica microbiana y la estructura de las comunidades microbianas y de nematodos bajo estrés climático; analizar los efectos del legado de las prácticas de gestión agrícola a largo plazo, como la siembra directa y la rotación de cultivos, sobre la resistencia y resiliencia de las funciones biológicas del suelo, la nematofauna edáfica y el rendimiento de los cultivos frente a perturbaciones climáticas; y comprobar si las enmiendas orgánicas de calidad contrastada pueden amortiguar el estrés climático y mejorar la salud del suelo y la multifuncionalidad del agroecosistema.
Estos objetivos se abordan a través de cuatro capítulos interconectados que integran ensayos manipulativos plurianuales en campo con experimentos controlados en invernadero: el capítulo 1 evalúa los efectos directos e interactivos del calentamiento y la sequía, en combinación con prácticas de laboreo contrapuestas, sobre la funcionalidad del suelo, el rendimiento de los cultivos y las comunidades de nematodos; el capítulo 2 examina cómo el cambio climático afecta a la respiración del suelo, la dinámica del carbono orgánico del suelo y la estructura de las comunidades microbianas y de nematodos, y si la reducción del laboreo mitiga estos efectos mediante una mayor estabilización del carbono; el capítulo 3 se centra en el legado del manejo agrícola, analizando cómo suelos con manejos contrastados durante 28 años difieren en la resistencia y resiliencia de la actividad biológica, los grupos tróficos de nematodos y el rendimiento de los cultivos frente al estrés climático simulado; y, por último, el capítulo 4 evalúa el potencial de las enmiendas orgánicas como estrategia de adaptación para mejorar la salud del suelo, la actividad biológica y la multifuncionalidad del ecosistema en condiciones semiáridas de secano.
Metodología
Para alcanzar los objetivos propuestos, la tesis combina tres experimentos de campo a medio plazo con un experimento controlado en invernadero. Se llevaron a cabo dos experimentos de campo en la Estación Experimental de La Canaleja (INIA-CSIC, Alcalá de Henares, España central), un agroecosistema mediterráneo semiárido representativo caracterizado por una baja precipitación anual, una alta demanda evaporativa y sistemas de cultivo de cereales de secano. En el capítulo 1 se simularon condiciones climáticas futuras en dos agroecosistemas mediterráneos durante tres ciclos de cultivo consecutivos, estableciendo un experimento en La Canaleja y replicándolo en la Estación Experimental IFAPA-Chipiona (Cádiz, sur de España). Para ello se instalaron cámaras de calentamiento (OTCs, open top chambers) que incrementaron la temperatura del aire y del suelo aproximadamente entre 2 y 3 °C, de acuerdo con escenarios proyectados por el IPCC, y se utilizaron tejados de exclusión parcial de lluvia para reducir las precipitaciones en torno a un 35 %, simulando condiciones de sequía; los tratamientos climáticos se aplicaron tanto de forma individual como combinada para captar efectos aditivos e interactivos y se cruzaron con regímenes de laboreo contrastados para identificar las interacciones entre manejo y clima. En ambos ensayos se monitorizó el desarrollo de los cultivos y los componentes del rendimiento, al tiempo que se caracterizó la comunidad de nematodos del suelo y se cuantificaron las funciones del suelo durante los tres ciclos de cultivo. En el capítulo 2 se empleó el mismo ensayo de manipulación climática descrito en el capítulo 1, manteniendo los tratamientos de laboreo, para profundizar en el análisis de la dinámica del carbono del suelo y las respuestas bióticas asociadas; mientras que el primer capítulo se centró en el rendimiento de los cultivos, la funcionalidad del suelo y las comunidades de nematodos, el capítulo 2 abordó los mecanismos biológicos y bioquímicos subyacentes, cuantificando la respiración del suelo in situ, el cociente metabólico (qCO₂) como indicador de la eficiencia metabólica microbiana y las fracciones de carbono orgánico del suelo, incluido el carbono lábil, y caracterizando las comunidades microbianas y de nematodos mediante técnicas de metabarcoding para detectar cambios en su estructura y composición. En el capítulo 3 se estudiaron los legados del manejo agrícola mediante el muestreo de suelos procedentes de un experimento a largo plazo con prácticas históricas contrastadas —siembra directa frente a laboreo convencional y monocultivo frente a rotación de cultivos—, que se sometieron a tratamientos estandarizados de calentamiento y limitación hídrica en un experimento en invernadero, permitiendo cuantificar la resistencia durante el periodo de estrés y la resiliencia durante la fase de recuperación de las variables de respuesta, entre ellas el rendimiento de los cultivos, la dinámica del carbono orgánico del suelo, la actividad enzimática y la abundancia de los distintos grupos tróficos de nematodos. Por último, en el capítulo 4 se examinó el papel de los fertilizantes orgánicos mediante un experimento de campo de dos años de duración en condiciones semiáridas de secano, en el que se aplicaron enmiendas de diferente calidad, contrastadas en cuanto a su relación C:N y el tipo de pretratamiento (gallinaza fresca y peletizada y lodos de depuradora secados térmicamente y compostados), y se evaluaron la comunidad de nematodos del suelo, la disponibilidad de nutrientes, el rendimiento del cultivo y diversos indicadores de la multifuncionalidad, con el objetivo de determinar la capacidad de estos insumos orgánicos para mejorar el funcionamiento del agroecosistema en dichas condiciones.
Resultados
Los resultados demuestran que los factores de estrés climático concurrentes pueden producir efectos interactivos intensos sobre los procesos del suelo, las comunidades biológicas y el rendimiento de los cultivos. El estudio presentado en el capítulo 1 reveló que el calentamiento y la sequía alteraron de forma conjunta la funcionalidad del suelo y la estructura de la comunidad de nematodos, con efectos que no podían predecirse a partir de respuestas a un único factor climático. El calentamiento aceleró la fenología de los cultivos, provocando un adelanto de las etapas de desarrollo y cambios en la distribución de la biomasa aérea, en detrimento del rendimiento en grano, a lo que las comunidades de nematodos respondieron de manera sensible mediante cambios en su composición trófica que reflejaron alteraciones en las vías de ciclado de nutrientes.
Los resultados del capítulo 2 mostraron que el tipo de laboreo ejerce una influencia clave sobre la dinámica del carbono del suelo en el contexto del cambio climático, ya que el calentamiento afectó a la respiración del suelo in situ y al cociente metabólico (qCO₂), lo que indica cambios en la eficiencia metabólica microbiana y en los patrones de uso del carbono; estos efectos estuvieron fuertemente modulados por el laboreo bajo condiciones de sequía y por la interacción de ambos factores climáticos, de modo que el laboreo convencional amplificó las pérdidas de carbono y alteró la estructura de la comunidad microbiana, mientras que el laboreo reducido, mediante arado con chisel sin inversión del suelo, amortiguó las respuestas microbianas y promovió un uso más eficiente del carbono en condiciones más secas y cálidas.
Los resultados del capítulo 3 enfatizaron la importancia del legado del manejo agrícola en la modulación de las respuestas al estrés climático, ya que los suelos sometidos a no laboreo a largo plazo demostraron una mayor capacidad para amortiguar los efectos del calentamiento simulado y la limitación hídrica sobre el rendimiento de los cultivos, manteniendo una actividad microbiana más elevada y estructuras tróficas de la comunidad de nematodos más estables tanto durante el periodo de estrés como en la fase de recuperación, en comparación con suelos con antecedentes de perturbaciones intensas.
Finalmente, el estudio del capítulo 4 puso de manifiesto que la calidad de las enmiendas orgánicas condiciona en gran medida la multifuncionalidad del agroecosistema en condiciones semiáridas, ya que las enmiendas con baja relación C:N, como la gallinaza fresca, promovieron una alta multifuncionalidad, mejoraron la disponibilidad de nutrientes y estimularon la actividad del suelo, mientras que los fertilizantes orgánicos más recalcitrantes, como los lodos compostados, mostraron beneficios productivos a medio plazo, pero una multifuncionalidad más limitada a corto plazo.
Conclusiones
Esta tesis avanza en la comprensión de cómo los agroecosistemas mediterráneos responden a factores de estrés climático concurrentes y a distintas prácticas de manejo mediante la combinación de experimentos manipulativos de campo a medio plazo y ensayos controlados en invernadero. Los resultados confirman que los principales impulsores del cambio climático, como el calentamiento y la sequía, interactúan para configurar las funciones del suelo, las comunidades biológicas edáficas y el rendimiento de los cultivos, lo que cuestiona la idoneidad de los enfoques experimentales basados en un único factor climático para predecir los efectos del cambio climático. El laboreo emerge como un regulador clave de la dinámica del carbono del suelo y de la eficiencia metabólica microbiana a través de su influencia en las comunidades microbianas y de nematodos, mientras que los legados del manejo agrícola a largo plazo desempeñan un papel decisivo en la determinación de la resistencia y resiliencia del suelo frente al estrés climático. Las prácticas de conservación, como la siembra directa y la rotación de cultivos, mejoran la capacidad de los suelos para amortiguar los efectos del calentamiento y la sequía, favoreciendo comunidades biológicas más estables y manteniendo el rendimiento de los cultivos. Asimismo, la calidad de las enmiendas orgánicas determina en qué medida los suelos pueden sostener su multifuncionalidad en las condiciones mediterráneas de secano, siendo los insumos orgánicos de baja relación C:N los que aportan beneficios más inmediatos. En conjunto, estos resultados proporcionan una base científica sólida para el diseño de estrategias agrícolas sostenibles y climáticamente adaptadas en regiones mediterráneas, en las que la integración de prácticas que minimicen la alteración del suelo junto con el uso de fertilizantes orgánicos específicos puede favorecer la estabilización del carbono orgánico del suelo, mantener la biodiversidad edáfica y reforzar la resiliencia de los agroecosistemas frente al cambio climático futuro.
