Appraisal of complementarity of subsurface drip fertigation and conservation agriculture for physiological performance and water economy of maize

• DOI: 10.1016/j.agwat.2023.108308
• Publication Date: 2023-04-25T03:41:47Z
• Authors: Kiranmoy Patra; C.M. Parihar; H.S. Nayak; Biswajit Rana; D.R. Sena; Anjali Anand; K. Srikanth Reddy; Manojit Chowdhury; Renu Pandey; Atul Kumar; L.K. Singh; M.K. Ghatala; H.S. Sidhu; M.L. Jat
• Keywords: Water-use efficiency; Deficit Irrigation for Agricultural Water Management; Conservation agriculture; Drip Irrigation; India; Soil Science; Rice Water Management and Productivity Enhancement; drip fertigation; Plant Science; maize; irrigation water; 630; Deficit Irrigation; Crop Productivity; Environmental science; economic analysis; Tillage; Agricultural and Biological Sciences; residues; Fertigation; FOS: Mathematics; irrigation methods; nitrogen-use efficiency; water-use efficiency; Irrigation; Biology; photosynthesis; drip irrigation; leaf area index; Factors Affecting Maize Yield and Lodging Resistance; Conventional tillage; Ecology; Life Sciences; Agriculture; crop yield; Agronomy; subsurface irrigation; irrigation management; conservation agriculture; FOS: Biological sciences; technology; tillage; Water Resources; water productivity; Maize Yield; Aerobic Rice Systems; Agronomy and Crop Science; Mathematics; Nutrient

Les plaines indo-gangétiques (PGI) du nord-ouest de l'Inde sont confrontées à une grave baisse des eaux souterraines en raison des systèmes de culture à base de riz. Pour lutter contre ce problème, l'agriculture de conservation (AC) avec une/des culture (s) alternative (s), comme le maïs, est promue. Récemment, la fertigation au goutte-à-goutte en surface a également été évaluée comme une option viable pour résoudre les problèmes d'efficacité de l'utilisation de faibles nutriments et de pénurie d'eau pour les céréales. Bien que les avantages individuels de l'irrigation au goutte-à-goutte et de l'irrigation au goutte-à-goutte souterraine (SSD) sur l'économie de l'eau soient bien établis, les informations concernant leur effet combiné dans les systèmes à base de céréales font défaut. Par conséquent, nous avons mené une expérience sur le terrain de deux ans dans le maïs, dans le cadre d'un système maïs-blé à base d'AC en cours, pour évaluer la complémentarité de l'AC avec l'irrigation SSD par le biais de deux interventions technologiques - AC + (AC + SSD avec résidus conservés), PCA + (AC partielle sans résidus + SSD) – à différents taux d'azote (0, 120 et 150 kg N ha-1) par rapport à l'AC traditionnelle irriguée par sillon (FI) et au travail du sol conventionnel (CT) à 120 kg N ha-1. Nos résultats ont montré que le CA+ avait le rendement céréalier le plus élevé (8,2 t ha-1), suivi du PCA+ (8,1 t ha-1). Le rendement en grains sous CA+ à 150 kg N ha-1 était respectivement de 27% et 30% supérieur à CA et CT. Même au même niveau d'azote (120 kg N ha-1), CA+ a surperformé CA et CT de 16% et 18%, respectivement. La performance physiologique du maïs a également révélé que les parcelles à base de CA+ avec 120 kg N ha-1 présentaient des taux de photosynthèse 12 % et 3 % plus élevés à hauteur du genou et à la soie, respectivement par rapport à FI-CA et CT. Dans l'ensemble, par rapport au FI-CA et au CT, le CA+ et le PCA+ à base de SSD ont permis d'économiser 54 % d'eau d'irrigation et d'augmenter la productivité de l'eau (WP) de plus de deux fois. De même, un plus grand nombre d'applications d'azote fractionné par fertigation dans le PCA+ et le CA+ a augmenté l'efficacité de l'utilisation de l'azote agronomique (nue) et a récupéré l'efficacité de 8 à 19 % et de 14 à 25 %, respectivement. Les rendements nets du PCA+ et du CA+ à 150 kg N ha-1 étaient significativement plus élevés de 491 et 456 USD, respectivement, que les traitements FI-CA et CT. Par conséquent, CA couplé à SSD a fourni des avantages tangibles en termes de rendement, d'économie d'eau d'irrigation, de WP, de nue et de rentabilité. Les efforts devraient viser à sensibiliser les agriculteurs aux avantages de cette technologie prometteuse pour la culture de céréales alimentaires et de cultures commerciales telles que le maïs. Parallèlement, un soutien gouvernemental et des politiques strictes sont nécessaires pour améliorer l'adaptabilité du système.<br/>The Indo-Gangetic Plains (IGP) in north-west (NW) India are facing a severe decline in ground water due to prevalent rice-based cropping systems. To combat this issue, conservation agriculture (CA) with an alternative crop/s, such as maize, is being promoted. Recently, surface drip fertigation has also been evaluated as a viable option to address low-nutrient use efficiency and water scarcity problems for cereals. While the individual benefits of CA and sub-surface drip (SSD) irrigation on water economy are well-established, information regarding their combined effect in cereal-based systems is lacking. Therefore, we conducted a two-year field experiment in maize, under an ongoing CA-based maize-wheat system, to evaluate the complementarity of CA with SSD irrigation through two technological interventions–– CA+ (residue retained CA + SSD), PCA+ (partial CA without residue + SSD) – at different N rates (0, 120 and 150 kg N ha-1) in comparison to traditional furrow irrigated (FI) CA and conventional tillage (CT) at 120 kg N ha-1. Our results showed that CA+ had the highest grain yield (8.2 t ha-1), followed by PCA+ (8.1 t ha-1). The grain yield under CA+ at 150 kg N ha-1 was 27% and 30% higher than CA and CT, respectively. Even at the same N level (120 kg N ha-1), CA+ outperformed CA and CT by 16% and 18%, respectively. The physiological performance of maize also revealed that CA+ based plots with 120 kg N ha-1 had 12% and 3% higher photosynthesis rate at knee-high and silking, respectively compared to FI-CA and CT. Overall, compared to the FI-CA and CT, SSD-based CA+ and PCA+ saved 54% irrigation water and increased water productivity (WP) by more than twice. Similarly, a greater number of split N application through fertigation in PCA+ and CA+ increased agronomic nitrogen use efficiency (NUE) and recover efficiency by 8–19% and 14–25%, respectively. Net returns from PCA+ and CA+ at 150 kg N ha-1 were significantly higher by US$ 491 and 456, respectively than the FI-CA and CT treatments. Therefore, CA coupled with SSD provided tangible benefits in terms of yield, irrigation water saving, WP, NUE and profitability. Efforts should be directed towards increasing farmers' awareness of the benefits of such promising technology for the cultivating food grains and commercial crops such as maize. Concurrently, government support and strict policies are required to enhance the system adaptability.<br/>تواجه سهول الغانج الهندية (IGP) في شمال غرب الهند (NW) انخفاضًا حادًا في المياه الجوفية بسبب أنظمة زراعة الأرز السائدة. ولمكافحة هذه المشكلة، يجري الترويج لزراعة الحفظ (CA) بمحصول/محاصيل بديلة، مثل الذرة. في الآونة الأخيرة، تم تقييم الإخصاب بالتنقيط السطحي كخيار قابل للتطبيق لمعالجة كفاءة استخدام المغذيات المنخفضة ومشاكل ندرة المياه للحبوب. في حين أن الفوائد الفردية للري بالتنقيط تحت سطح الأرض (SSD) على اقتصاد المياه راسخة، إلا أن المعلومات المتعلقة بتأثيرها المشترك في الأنظمة القائمة على الحبوب غير متوفرة. لذلك، أجرينا تجربة ميدانية لمدة عامين في الذرة، في إطار نظام الذرة والقمح القائم على CA المستمر، لتقييم تكامل CA مع الري SSD من خلال تدخلين تكنولوجيين - CA+ (بقايا CA + SSD المحتفظ بها)، PCA+ (CA الجزئي بدون بقايا + SSD) – بمعدلات N مختلفة (0 و 120 و 150 كجم N ha -1) بالمقارنة مع الري التقليدي (FI) CA والحراثة التقليدية (CT) عند 120 كجم N ha -1. أظهرت نتائجنا أن CA+ كان لديه أعلى إنتاجية للحبوب (8.2 طن هكتار -1)، يليه PCA+ (8.1 طن هكتار -1). كان إنتاج الحبوب تحت CA+ عند 150 كجم N ha -1 أعلى بنسبة 27 ٪ و 30 ٪ من CA و CT، على التوالي. حتى عند نفس مستوى N (120 كجم N ha -1)، تفوق CA+ على CA و CT بنسبة 16 ٪ و 18 ٪ على التوالي. كشف الأداء الفسيولوجي للذرة أيضًا أن المؤامرات القائمة على CA+ مع 120 كجم نيوتن هكتار -1 لديها معدل تمثيل ضوئي أعلى بنسبة 12 ٪ و 3 ٪ عند ارتفاع الركبة والحرير، على التوالي مقارنة بـ FI - CA و CT. بشكل عام، مقارنة بـ FI - CA و CT، وفرت CA+ و PCA+ المستندة إلى SSD 54 ٪ من مياه الري وزيادة إنتاجية المياه (WP) بأكثر من الضعف. وبالمثل، أدى عدد أكبر من استخدام N المقسم من خلال التسميد في PCA+ و CA+ إلى زيادة كفاءة استخدام النيتروجين الزراعي (NUE) واستعادة الكفاءة بنسبة 8-19 ٪ و 14-25 ٪ على التوالي. كان صافي العائدات من PCA+ و CA+ عند 150 كجم نيوتن هكتار -1 أعلى بكثير بمقدار 491 دولارًا أمريكيًا و 456 دولارًا أمريكيًا، على التوالي من علاجات FI - CA و CT. لذلك، قدمت CA إلى جانب SSD فوائد ملموسة من حيث العائد، وتوفير مياه الري، و WP، و NUE والربحية. وينبغي توجيه الجهود نحو زيادة وعي المزارعين بفوائد هذه التكنولوجيا الواعدة لزراعة الحبوب الغذائية والمحاصيل التجارية مثل الذرة. وفي الوقت نفسه، هناك حاجة إلى دعم حكومي وسياسات صارمة لتعزيز قدرة النظام على التكيف.<br/>Las llanuras indogangéticas (IGP) en el noroeste de la India se enfrentan a una grave disminución de las aguas subterráneas debido a los sistemas de cultivo predominantes a base de arroz. Para combatir este problema, se está promoviendo la agricultura conservadora (AC) con cultivos alternativos, como el maíz. Recientemente, la fertirrigación por goteo superficial también se ha evaluado como una opción viable para abordar la eficiencia en el uso de bajos nutrientes y los problemas de escasez de agua para los cereales. Si bien los beneficios individuales del riego por CA y por goteo subterráneo (SSD) en la economía del agua están bien establecidos, falta información sobre su efecto combinado en los sistemas basados en cereales. Por lo tanto, realizamos un experimento de campo de dos años en maíz, bajo un sistema de maíz-trigo basado en CA en curso, para evaluar la complementariedad de CA con el riego SSD a través de dos intervenciones tecnológicas: CA+ (CA + SSD con residuos retenidos), PCA + (CA parcial sin residuos + SSD) – a diferentes tasas de N (0, 120 y 150 kg N ha-1) en comparación con el riego de surco tradicional (FI) CA y la la labranza convencional (CT) a 120 kg N ha-1. Nuestros resultados mostraron que CA+ tuvo el mayor rendimiento de grano (8,2 t ha-1), seguido de PCA+ (8,1 t ha-1). El rendimiento de grano bajo CA+ a 150 kg N ha-1 fue 27% y 30% mayor que CA y CT, respectivamente. Incluso al mismo nivel de N (120 kg N ha-1), CA+ superó a CA y CT en un 16% y 18%, respectivamente. El rendimiento fisiológico del maíz también reveló que las parcelas basadas en CA+ con 120 kg de N ha-1 tenían una tasa de fotosíntesis 12% y 3% más alta a la altura de la rodilla y la sedación, respectivamente, en comparación con FI-CA y CT. En general, en comparación con FI-CA y CT, CA+ y PCA+ basados en SSD ahorraron un 54% de agua de riego y aumentaron la productividad del agua (WP) en más del doble. De manera similar, un mayor número de aplicaciones de N dividido a través de fertirrigación en PCA+ y CA+ aumentó la eficiencia del uso de nitrógeno agronómico (nue) y recuperó la eficiencia en un 8–19% y 14–25%, respectivamente. Los rendimientos netos de PCA+ y CA+ a 150 kg N ha-1 fueron significativamente mayores en US$ 491 y 456, respectivamente, que los tratamientos FI-CA y CT. Por lo tanto, CA junto con SSD proporcionaron beneficios tangibles en términos de rendimiento, ahorro de agua de riego, WP, nue y rentabilidad. Los esfuerzos deben dirigirse a aumentar la conciencia de los agricultores sobre los beneficios de esta tecnología prometedora para el cultivo de granos alimenticios y cultivos comerciales como el maíz. Al mismo tiempo, se requiere el apoyo del gobierno y políticas estrictas para mejorar la adaptabilidad del sistema.<br/>