Published March 17, 2022
| Version v1
Publication
Open
How Does Crop Rotation Influence Soil Moisture, Mineral Nitrogen, and Nitrogen Use Efficiency?
Creators
- 1. Yangtze University
- 2. University of Tasmania
- 3. Hainan University
- 4. University of Haripur
Description
Rice-wheat (RW) cropping systems are integral to global food security. Despite being practiced for decades, Chinese RW cropping systems often suffer from low productivity and poor nitrogen use efficiency (NUE), reflecting management approaches that are not well-contextualized to region and season. Here, we develop the best management guides for N fertilizer in RW systems that are designed to help raise the productivity, NUE, and environmental sustainability of winter wheat over the long term. 2-year field experiments were conducted with four N fertilizer rates (0, 135, 180, and 225 kg N ha-1), allowing contrasts of yields, soil moisture, and NUE of wheat in RW in the humid climates zones on the Jianghan Plain. We compared RW systems with soybean/maize dryland wheat (DW) systems that are similarly endemic to China: after soybean/maize is harvested, soils are often drier compared with moisture content following rice harvest. With high seasonal N application rates (180-225 kg N ha-1), wheat crop yields increased by 24% in RW which were greater than comparable yields of wheat in DW, mainly due to greater kernels per spike in the former. Across treatments and years, N accumulation in plant tissue and kernel dry matter of DW was higher than that in RW, although mean agronomic efficiency of nitrogen (AEN) and physiological efficiency of nitrogen (PEN) of RW systems were greater. As N application rates increased from 135 to 225 kg ha-1, AEN and PEN of DW decreased but changed little for RW. Soil ammonium N was much lower than that of nitrate N; changes in NH4+ and NO3- as a consequence of increasing N fertilization were similar for RW and DW. We recommend that tactical application of N fertilizer continue seasonally until midgrain filling for both the DW and RW systems. At fertilization rates above 180 kg N ha-1, yield responses disappeared but nitrate leaching increased significantly, suggesting declining environmental sustainability above this N ceiling threshold. Collectively, this study elicits many functional and agronomic trade-offs between yields, NUE, and environmental sustainability as a function of N fertilization. Our results show that yield and NUE responses measured as part of crop rotations are both more robust and more variable when derived over multiple seasons, management conditions, and sites.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعد أنظمة زراعة الأرز والقمح جزءًا لا يتجزأ من الأمن الغذائي العالمي. على الرغم من ممارستها لعقود من الزمن، غالبًا ما تعاني أنظمة زراعة RW الصينية من انخفاض الإنتاجية وضعف كفاءة استخدام النيتروجين (NUE)، مما يعكس مناهج الإدارة غير المنسقة جيدًا مع المنطقة والموسم. هنا، نطور أفضل أدلة الإدارة للأسمدة N في أنظمة RW المصممة للمساعدة في رفع الإنتاجية، NUE، والاستدامة البيئية للقمح الشتوي على المدى الطويل. أجريت تجارب ميدانية لمدة عامين بأربعة معدلات للأسمدة N (0، 135، 180، و 225 كجم N ha -1)، مما يسمح بتباين الغلة ورطوبة التربة و NUE للقمح في RW في مناطق المناخات الرطبة في سهل جيانغان. قارنا أنظمة RW مع أنظمة قمح الأراضي الجافة لفول الصويا/الذرة (DW) المستوطنة بالمثل في الصين: بعد حصاد فول الصويا/الذرة، غالبًا ما تكون التربة أكثر جفافًا مقارنة بمحتوى الرطوبة بعد حصاد الأرز. مع ارتفاع معدلات استخدام N الموسمية (180-225 كجم من N ha -1)، زادت غلة محصول القمح بنسبة 24 ٪ في RW والتي كانت أكبر من غلة القمح المماثلة في DW، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع حبات القمح لكل ارتفاع في السابق. عبر المعالجات والسنوات، كان تراكم النيتروجين في الأنسجة النباتية والمادة الجافة للنواة من DW أعلى من ذلك في RW، على الرغم من أن متوسط الكفاءة الزراعية للنيتروجين (AEN) والكفاءة الفسيولوجية للنيتروجين (PEN) لأنظمة RW كانت أكبر. مع زيادة معدلات استخدام N من 135 إلى 225 كجم هكتار -1، انخفضت AEN و PEN من DW ولكنها تغيرت قليلاً بالنسبة لـ RW. كان أمونيوم التربة N أقل بكثير من نترات N ؛ كانت التغيرات في NH4+ و NO3 - نتيجة لزيادة التسميد N متشابهة بالنسبة لـ RW و DW. نوصي بأن يستمر التطبيق التكتيكي للأسمدة N موسمياً حتى ملء الحبوب الوسطى لكل من أنظمة DW و RW. عند معدلات الإخصاب التي تزيد عن 180 كجم نيوتن هكتار -1، اختفت استجابات الغلة ولكن ارتشاح النترات زاد بشكل كبير، مما يشير إلى انخفاض الاستدامة البيئية فوق عتبة السقف N هذه. بشكل جماعي، تثير هذه الدراسة العديد من المفاضلات الوظيفية والزراعية بين الغلات و NUE والاستدامة البيئية كدالة للتسميد. تظهر نتائجنا أن استجابات العائد و NUE المقاسة كجزء من تناوب المحاصيل تكون أكثر قوة وأكثر تغيرًا عند اشتقاقها على مدار مواسم وظروف إدارة ومواقع متعددة.Translated Description (French)
Les systèmes de culture riz-blé (RW) font partie intégrante de la sécurité alimentaire mondiale. Bien qu'ils soient pratiqués depuis des décennies, les systèmes de culture RW chinois souffrent souvent d'une faible productivité et d'une faible efficacité d'utilisation de l'azote (nue), reflétant des approches de gestion qui ne sont pas bien contextualisées à la région et à la saison. Ici, nous développons les meilleurs guides de gestion des engrais azotés dans les systèmes RW qui sont conçus pour aider à augmenter la productivité, le nue et la durabilité environnementale du blé d'hiver à long terme. Des expériences sur le terrain de 2 ans ont été menées avec quatre taux d'engrais azotés (0, 135, 180 et 225 kg N ha-1), permettant des contrastes de rendements, d'humidité du sol et de nue du blé dans les zones de climats humides de la plaine de Jianghan. Nous avons comparé les systèmes RW avec les systèmes de blé sec (DW) soja/maïs qui sont également endémiques à la Chine : après la récolte du soja/maïs, les sols sont souvent plus secs par rapport à la teneur en humidité après la récolte du riz. Avec des taux d'application de N saisonniers élevés (180-225 kg N ha-1), les rendements des cultures de blé ont augmenté de 24% dans le RW, ce qui était supérieur aux rendements comparables du blé dans le DW, principalement en raison de la plus grande quantité de grains par pic dans le premier. Au cours des traitements et des années, l'accumulation d'azote dans les tissus végétaux et la matière sèche des grains de DW était supérieure à celle de RW, bien que l'efficacité agronomique moyenne de l'azote (AEN) et l'efficacité physiologique de l'azote (Pen) des systèmes RW soient supérieures. Au fur et à mesure que les taux d'application d'azote passaient de 135 à 225 kg ha-1, l'AEN et le STYLO de DW diminuaient mais changeaient peu pour RW. L'azote ammoniacal du sol était beaucoup plus faible que celui du nitrate ; les changements dans le NH4+ et le NO3- à la suite de l'augmentation de la fertilisation par l'azote étaient similaires pour le RW et le DW. Nous recommandons que l'application tactique d'engrais azoté se poursuive de façon saisonnière jusqu'au remplissage à mi-céréale pour les systèmes DW et RW. À des taux de fertilisation supérieurs à 180 kg N ha-1, les réponses de rendement ont disparu mais le lessivage des nitrates a augmenté de manière significative, suggérant une diminution de la durabilité environnementale au-dessus de ce seuil plafond d'azote. Collectivement, cette étude suscite de nombreux compromis fonctionnels et agronomiques entre les rendements, la nue et la durabilité environnementale en fonction de la fertilisation azotée. Nos résultats montrent que les réponses de rendement et de nue mesurées dans le cadre des rotations de cultures sont à la fois plus robustes et plus variables lorsqu'elles sont dérivées sur plusieurs saisons, conditions de gestion et sites.Translated Description (Spanish)
Los sistemas de cultivo de arroz-trigo (RW) son parte integral de la seguridad alimentaria mundial. A pesar de practicarse durante décadas, los sistemas de cultivo RW chinos a menudo sufren de baja productividad y poca eficiencia en el uso de nitrógeno (nue), lo que refleja enfoques de gestión que no están bien contextualizados para la región y la temporada. Aquí, desarrollamos las mejores guías de manejo para fertilizantes N en sistemas RW que están diseñadas para ayudar a aumentar la productividad, la nue y la sostenibilidad ambiental del trigo de invierno a largo plazo. Se realizaron experimentos de campo de 2 años con cuatro tasas de fertilizantes N (0, 135, 180 y 225 kg N ha-1), lo que permite contrastes de rendimientos, humedad del suelo y nue de trigo en RW en las zonas de climas húmedos en la llanura de Jianghan. Comparamos los sistemas de RW con los sistemas de trigo de secano (DW) de soja/maíz que son igualmente endémicos de China: después de cosechar la soja/maíz, los suelos a menudo son más secos en comparación con el contenido de humedad después de la cosecha de arroz. Con altas tasas de aplicación estacional de N (180-225 kg N ha-1), los rendimientos de los cultivos de trigo aumentaron en un 24% en RW, que fueron mayores que los rendimientos comparables de trigo en DW, principalmente debido a mayores granos por espiga en el primero. A lo largo de los tratamientos y años, la acumulación de N en el tejido vegetal y la materia seca del grano de DW fue mayor que en RW, aunque la eficiencia agronómica media del nitrógeno (AEN) y la eficiencia fisiológica del nitrógeno (Pen) de los sistemas de RW fueron mayores. A medida que las tasas de aplicación de N aumentaron de 135 a 225 kg ha-1, el AEN y el PEN de DW disminuyeron, pero cambiaron poco para RW. El amonio del suelo N fue mucho menor que el nitrato N; los cambios en NH4+ y NO3- como consecuencia del aumento de la fertilización con N fueron similares para RW y DW. Recomendamos que la aplicación táctica de fertilizante N continúe estacionalmente hasta el llenado del grano medio para los sistemas DW y RW. A tasas de fertilización superiores a 180 kg N ha-1, las respuestas de rendimiento desaparecieron, pero la lixiviación de nitratos aumentó significativamente, lo que sugiere una disminución de la sostenibilidad ambiental por encima de este umbral del techo N. En conjunto, este estudio provoca muchas compensaciones funcionales y agronómicas entre los rendimientos, la nue y la sostenibilidad ambiental en función de la fertilización con nitrógeno. Nuestros resultados muestran que las respuestas de rendimiento y nue medidas como parte de las rotaciones de cultivos son más robustas y más variables cuando se derivan de múltiples temporadas, condiciones de manejo y sitios.Files
pdf.pdf
Files
(3.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:72497819bdf6773da5d40e8831184812
|
3.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- كيف يؤثر دوران المحاصيل على كفاءة استخدام رطوبة التربة والنيتروجين المعدني والنيتروجين ؟
- Translated title (French)
- Comment la rotation des cultures influence-t-elle l'humidité du sol, l'azote minéral et l'efficacité de l'utilisation de l'azote ?
- Translated title (Spanish)
- ¿Cómo influye la rotación de cultivos en la humedad del suelo, el nitrógeno mineral y la eficiencia del uso de nitrógeno?
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4220704967
- DOI
- 10.3389/fpls.2022.854731
References
- https://openalex.org/W1489411088
- https://openalex.org/W1554418596
- https://openalex.org/W1590410573
- https://openalex.org/W1971630396
- https://openalex.org/W1974638763
- https://openalex.org/W1997758979
- https://openalex.org/W2024090660
- https://openalex.org/W2028913476
- https://openalex.org/W2050213428
- https://openalex.org/W2056487217
- https://openalex.org/W2085959406
- https://openalex.org/W2129233625
- https://openalex.org/W2140273808
- https://openalex.org/W2148675484
- https://openalex.org/W2166851887
- https://openalex.org/W2193881464
- https://openalex.org/W2271884002
- https://openalex.org/W2294980955
- https://openalex.org/W2365892677
- https://openalex.org/W2527113150
- https://openalex.org/W2541401510
- https://openalex.org/W2609811433
- https://openalex.org/W2774245775
- https://openalex.org/W2883402907
- https://openalex.org/W2883460231
- https://openalex.org/W2896061146
- https://openalex.org/W2945989195
- https://openalex.org/W2956562737
- https://openalex.org/W2989732129
- https://openalex.org/W2992463920
- https://openalex.org/W2995927230
- https://openalex.org/W2996450933
- https://openalex.org/W3025768731
- https://openalex.org/W3124714882
- https://openalex.org/W3128824007
- https://openalex.org/W3135877270
- https://openalex.org/W3136848773
- https://openalex.org/W3153810753
- https://openalex.org/W3171514339
- https://openalex.org/W3183197938
- https://openalex.org/W3204714896
- https://openalex.org/W4200014985
- https://openalex.org/W4205119014
- https://openalex.org/W4206938929
- https://openalex.org/W4233581482
- https://openalex.org/W4297563100
- https://openalex.org/W54768593