Greenhouse Gas in Agroecosystems: Integration of Biogeochemical Processes, Production Systems, and Methodological Challenges

Abstract

Mitigating greenhouse gas emissions from tropical agroecosystems requires consistent quantification and a mechanistic understanding of the processes controlling soil fluxes, particularly nitrous oxide (N₂O), whose emissions are highly variable in time and space. This research integrates three complementary lines of evidence to reduce uncertainty and strengthen inference for mitigation, inventories, and modelling: (i) a field study quantifying cumulative N₂O and methane (CH₄) emissions across contrasting land uses and interpreting their controls using environmental variables, mineral N, and functional genes; (ii) a quantitative synthesis based on a systematic review and meta-analysis to evaluate emission intensity in integrated systems; and (iii) a methodological assessment of N₂O time-series reconstruction, focusing on how interpolation choices affect cumulative estimates and emission factors under irregular sampling. In the field study, an integrated crop–livestock system (soybean, second-crop maize, and grass), a long-term monoculture pasture, and a native vegetation area as reference were compared over two years of monitoring. Cumulative N₂O emissions were characterized by high variability and a disproportionate contribution of high-magnitude events, reinforcing the dominant role of emission peaks in annual accounting. Overall, cumulative N₂O did not show statistically significant differences among land uses when evaluated across the experimental phases, indicating that differences in cumulative N₂O, if present, are strongly contingent on the joint occurrence of available nitrogen and environmentally favorable emission windows. For CH₄, cumulative balances reflected alternation between emission and uptake over time, with the net signal depending on land use and environmental context, highlighting that soil CH₄ uptake can be an important component of the balance in well-drained soils. Mechanistic interpretation was strengthened by integrated analyses (PCA and Pearson correlations), which organized variability into two complementary dimensions. PCA indicated that the first component (PC1) represents a land-use associated signature, in which native vegetation and managed systems diverge through the co-variation of mineral N forms and microbial functional potential, inferred from genes related to nitrification, denitrification, and biological N fixation. Under this framework, genes act as indicators of the soil functional state and the “potential” for microbial pathways, rather than immediate, deterministic predictors of fluxes. The second component (PC2) summarizes a short-term environmental activation signal, associated with the hydroclimatic microenvironment that controls O₂ diffusion, the formation of anaerobic microsites, and the immediate availability of substrates, thereby modulating when the potential captured by PC1 is expressed as N₂O emissions and alters the net CH₄ balance. Together, these results support an interpretation in which land use reorganizes functional potential and N status, whereas the environment defines activation windows that regulate the expression of this potential into fluxes. In the meta-analysis, conducted through a systematic review and robust quantitative synthesis, N₂O emission intensity in integrated systems was evaluated in comparison with non-integrated systems. The analysis revealed consistent clustering patterns, indicating that integrated systems tend to exhibit lower emission intensity than monoculture systems and, in some contexts, also relative to native references, reinforcing the potential of sustainable intensification when assessed through efficiency-based metrics (emissions per unit of product). These findings also highlight heterogeneity among integrated arrangements and the need for context-specific stratification, avoiding simplistic extrapolations. Finally, the methodological assessment showed that time-series reconstruction choices directly influence cumulative N₂O emissions and emission factors when sampling is sparse and irregular, as in animal-excreta experiments. A data-driven framework was developed to compare interpolation methods using structural time-series metrics, a multicriteria score, and Pareto analysis. Among the evaluated methods, linear interpolation showed the best overall performance and the most consistent recovery of temporal patterns, and was selected as the most suitable approach for reconstructing N₂O time series in the analysed dataset. Overall, this research shows that integrating robust quantification, mechanistic interpretation (environment, mineral N, and microbial indicators), scale synthesis (meta-analysis), and rigorous time-series reconstruction is essential to improve N₂O and CH₄ estimates and to support mitigation decisions and the development of more representative emission factors in tropical agricultural systems.

A mitigação das emissões de gases de efeito estufa em agroecossistemas tropicais requer quantificação consistente e compreensão mecanística dos processos que controlam os fluxos de gases no solo, particularmente do óxido nitroso (N₂O), cujas emissões apresentam elevada variabilidade temporal e espacial. Esta pesquisa integra três linhas complementares de evidência para reduzir incertezas e fortalecer inferências voltadas à mitigação, aos inventários de emissões e à modelagem: (i) um estudo de campo quantificando emissões cumulativas de N₂O e metano (CH₄) em diferentes usos da terra e interpretando seus controles a partir de variáveis ambientais, nitrogênio mineral e genes funcionais; (ii) uma síntese quantitativa baseada em revisão sistemática e meta-análise para avaliar a intensidade de emissão em sistemas integrados; e (iii) uma avaliação metodológica da reconstrução de séries temporais de N₂O, com foco em como diferentes métodos de interpolação influenciam as estimativas cumulativas e os fatores de emissão sob amostragem irregular. No estudo de campo, foram comparados um sistema integrado lavoura-pecuária (soja, milho safrinha e pastagem), uma pastagem em monocultivo de longa duração e uma área de vegetação nativa utilizada como referência, ao longo de dois anos de monitoramento. As emissões cumulativas de N₂O foram caracterizadas por elevada variabilidade e por uma contribuição desproporcional de eventos de grande magnitude, reforçando o papel dominante dos picos de emissão na contabilização anual. De forma geral, as emissões cumulativas de N₂O não apresentaram diferenças estatisticamente significativas entre os usos da terra quando avaliadas ao longo das diferentes fases experimentais, indicando que eventuais diferenças são fortemente dependentes da ocorrência simultânea de nitrogênio disponível e de janelas ambientais favoráveis à emissão. Para o CH₄, os balanços cumulativos refletiram uma alternância entre emissão e consumo ao longo do tempo, com o sinal líquido dependente do uso da terra e do contexto ambiental. Esses resultados destacam que a absorção de CH₄ pelo solo pode representar um componente importante do balanço em solos bem drenados. A interpretação mecanística foi fortalecida por análises integradas, incluindo Análise de Componentes Principais (PCA) e correlações de Pearson, que organizaram a variabilidade observada em duas dimensões complementares. A PCA indicou que o primeiro componente (PC1) representa uma assinatura associada ao uso da terra, na qual a vegetação nativa e os sistemas manejados se diferenciam por meio da covariação entre formas de nitrogênio mineral e potencial funcional microbiano, inferido a partir de genes relacionados à nitrificação, desnitrificação e fixação biológica de nitrogênio. Nesse contexto, os genes atuam como indicadores do estado funcional do solo e do potencial de ocorrência de determinadas vias microbianas, e não como preditores imediatos e determinísticos dos fluxos de gases. O segundo componente (PC2) sintetiza um sinal de ativação ambiental de curto prazo, associado ao microambiente hidroclimático que controla a difusão de oxigênio, a formação de microssítios anaeróbios e a disponibilidade imediata de substratos. Dessa forma, o PC2 modula quando o potencial funcional representado pelo PC1 é efetivamente expresso na forma de emissões de N₂O e altera o balanço líquido de CH₄. Em conjunto, esses resultados sustentam uma interpretação segundo a qual o uso da terra reorganiza o potencial funcional microbiano e o status de nitrogênio do sistema, enquanto o ambiente define as janelas de ativação que regulam a expressão desse potencial em fluxos gasosos. Na meta-análise, conduzida por meio de revisão sistemática e síntese quantitativa robusta, a intensidade de emissão de N₂O em sistemas integrados foi avaliada em comparação a sistemas não integrados. Os resultados revelaram padrões consistentes de agrupamento, indicando que sistemas integrados tendem a apresentar menor intensidade de emissão do que sistemas em monocultivo e, em alguns contextos, também em relação a áreas de referência nativa. Esses achados reforçam o potencial da intensificação sustentável quando avaliada por métricas de eficiência, expressas como emissões por unidade de produto. Os resultados também evidenciam a heterogeneidade existente entre diferentes arranjos integrados e a necessidade de estratificações específicas para cada contexto, evitando extrapolações simplificadas. Por fim, a avaliação metodológica demonstrou que as escolhas relacionadas à reconstrução de séries temporais influenciam diretamente as estimativas de emissões cumulativas de N₂O e os fatores de emissão quando a amostragem é esparsa e irregular, como frequentemente ocorre em experimentos com excretas animais. Foi desenvolvido um framework orientado por dados para comparar métodos de interpolação utilizando métricas estruturais de séries temporais, uma pontuação multicritério e análise de Pareto. Entre os métodos avaliados, a interpolação linear apresentou o melhor desempenho global e a recuperação mais consistente dos padrões temporais, sendo selecionada como a abordagem mais adequada para a reconstrução das séries temporais de N₂O no conjunto de dados analisado. De forma geral, esta pesquisa demonstra que a integração entre quantificação robusta, interpretação mecanística baseada em variáveis ambientais, nitrogênio mineral e indicadores microbianos, síntese de evidências em múltiplas escalas por meio de meta-análises e reconstrução rigorosa de séries temporais é fundamental para aprimorar as estimativas de N₂O e CH₄, subsidiar estratégias de mitigação e contribuir para o desenvolvimento de fatores de emissão mais representativos para sistemas agrícolas tropicais.