Introducing grain legumes in Mediterranean cropping systems as a strategy to increase their productivity and sustainability

Abstract

L’agricultura europea està fortament especialitzada en la producció de cereals, fet que presenta riscos agronòmics i mediambientals i incrementa la dependència en les importacions de proteïna d’alt valor. L’agricultura Mediterrània n’és un exemple, ja que està basada, en molts casos, en monocultius de cereals d’hivern al secà i de panís (Zea mays L.) a les zones de regadiu. L’objectiu d’aquesta tesi doctoral és avaluar, en termes de productivitat i sostenibilitat, sistemes de cultiu Mediterranis redissenyats. Aquests sistemes inclouen una major proporció de lleguminoses, material vegetal adequat i pràctiques de maneig més sostenibles. La primera part de la tesi es centra en redissenyar i avaluar sistemes de cultiu Mediterranis de secà (Capítol I) i de regadiu (Capítol II). La segona part es centra en explorar material vegetal de soja (Glycine max Merr.) per maximitzar-ne el rendiment (Capítol III) i estudiar alternatives sostenibles per al maneig de males herbes en soja per a sistemes de collita única i doble collita (SCU i SDC, respectivament) (Capítol IV). Es van dur a terme quatre experiments de camp a la província de Lleida (NE Espanya) durant tres campanyes. Per als Capítols I i II, es van avaluar sistemes de cultiu redissenyats en dos camps experimentals localitzats en finques d’agricultors (recerca on-farm) i en sembra directa. A la zona de secà, l’experiment es va centrar en la diversificació de cultius amb pèsol (Pisum sativum L.), favó (Vicia faba L.) o una coberta vegetal d’espontànies combinada amb dosis creixents de fertilitzant nitrogenat (0, 40, 80 i 120 kg N ha-1). En condicions de regadiu es va estudiar la diversificació de cultius (amb la introducció de soja) i la intensificació dels sistemes de cultiu (de SCU a SDC) com a alternatives al monocultiu de panís. En ambdós casos, es va calcular la productivitat i l’eficiència en l’ús del nitrogen a escala de sistema de cultiu. Per als capítols III i IV, els experiments es van centrar en (i) l’avaluació de grups de maduresa de soja (des del 00 al III) per SCU i SDC i (ii) l’avaluació de tècniques sostenibles de maneig de males herbes en soja. Aquestes tècniques incloïen la reducció en la distància entre línies de sembra (de 75 a 37.5 cm), l’aplicació d’herbicides i l’ús d’una coberta vegetal de sègol (Secale cereale (L.)M.Bieb.) controlada amb corró laminat (de l’anglès, roller crimper) per al SCU. En el SDC, només es van incloure les dues primeres tècniques. La introducció de lleguminoses als sistemes de cultiu Mediterranis de secà i regadiu va comportar un augment de la producció de proteïna i una disminució de la producció d’energia per unitat de superfície. En condicions de secà, el sistema de cultiu amb favó va superar el monocultiu de blat en termes de proteïna produïda, independentment de la dosi de fertilitzant nitrogenat (de 0 a 120 kg ha-1). En condicions de regadiu, la diversificació de cultius amb soja no va portar a un increment de la proteïna produïda (921 kg ha-1 any-1). En canvi, la intensificació amb els SDC d’ordi (Hordeum vulgare L.)-panís i, especialment, ordi-soja van mostrar increments significatius en els rendiments de proteïna (1129 i 1778 kg ha-1 any-1, respectivament). Es va observar un increment en el rendiment en gra d’un 17 a un 28% en els cereals precedits per una lleguminosa, tant en condicions de secà com de regadiu. En els de secà, la fixació biològica de N va representar un 18 i un 40% de les entrades de N als sistemes de cultiu amb pèsol i favó, respectivament. Es va mesurar un balanç net de N positiu en la majoria de casos (i.e. N fixat > N exportat), el qual va contribuir als augments de rendiment mencionats. En soja, l’ús de grups de maduresa més llargs (II i III) dels utilitzats tradicionalment (00 a I) va portar a increments del rendiment d’entre el 33 i el 80%. La producció de soja podria ser menys dependent de l’ús d’herbicides amb l’ús d’una coberta vegetal de sègol controlada amb corró laminat. En aquest sentit, es va observar una reducció del 92% en biomassa de males herbes amb una coberta de sègol que va acumular 11.4 t ha-1, mentre que no es va trobar cap efecte sobre les males herbes quan la quantitat de coberta era inferior a les 4 t ha-1. Una menor distància entre línies de sembra no va afectar la pressió de males herbes ni el rendiment de la soja, probablement degut a la presència de restes vegetals en superfície (sègol en el SCU i restes de collita d’ordi en el SDC). PhD thesis Genís Simon Miquel vi Redissenyar els sistemes de cultiu incloent una major proporció de lleguminoses és una estratègia per incrementar la producció de proteïna vegetal. Al mateix temps, redueix la dependència en els fertilitzants sintètics nitrogenats, fet que incrementa la sostenibilitat dels sistemes de producció d’aliments. Els increments en producció de proteïna van acompanyats d’una disminució en la producció d’energia, la qual es compensa parcialment amb l’efecte positiu de les lleguminoses en el cereal successiu. El rendiment de soja en condicions Mediterrànies de regadiu es pot incrementar amb l’ús de grups de maduresa més llargs. L’ús d’una coberta vegetal controlada amb corró laminat pot ser una eina de control de males herbes sostenible i efectiva en soja de collita única, sempre que la biomassa acumulada de sègol sigui suficient.

La agricultura europea está fuertemente especializada en la producción de cereales, lo que conlleva riesgos agronómicos y medioambientales e incrementa la dependencia en las importaciones de proteína de alto valor. La agricultura Mediterránea es un ejemplo, ya que está basada, en muchos casos, en monocultivos de cereales de invierno en secano y maíz (Zea mays L.) en las zonas de regadío. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar, en términos de productividad y sostenibilidad, sistemas de cultivo Mediterráneos rediseñados. Estos sistemas incluyen una mayor proporción de leguminosas, material vegetal adecuado y prácticas de manejo más sostenibles. La primera parte de la tesis se centra en rediseñar y evaluar sistemas de cultivo Mediterráneos de secano (Capítulo I) y de regadío (Capítulo II). La segunda parte se centra en explorar grupos de madurez y variedades de soja (Glycine max Merr.) para maximizar su rendimiento (Capítulo III) y estudiar alternativas sostenibles para el manejo de malas hierbas en soja para sistemas de cosecha única y doble cosecha (SCU y SDC, respectivamente) (Capítulo IV). Se realizaron cuatro experimentos de campo en la provincia de Lleida (NE España) durante tres campañas. Para los Capítulos I y II, se evaluaron sistemas de cultivo rediseñados en dos campos experimentales localizados en fincas de agricultores (on-farm) y en condiciones de siembra directa. En la zona de secano, el experimento se centró en la diversificación de cultivos con guisante (Pisum sativum L.), haboncillo (Vicia faba L.) o una cubierta vegetal de espontáneas combinado con dosis crecientes de fertilizante nitrogenado (0, 40, 80 y 120 kg N ha-1). En condiciones de regadío se estudió la diversificación de cultivos (con la introducción de soja) y la intensificación de los sistemas de cultivo (de SCU a SDC) como alternativas al monocultivo de maíz. En ambos casos, se calculó la productividad y la eficiencia en el uso del nitrógeno a escala de sistema de cultivo. Para los capítulos III y IV, los campos experimentales se centraron en (i) la evaluación de grupos de madurez de soja (desde el 00 al III) para SCU y SDC y (ii) la evaluación de técnicas sostenibles de manejo de malas hierbas en soja. Estas técnicas incluían la reducción en la distancia entre líneas de siembra (de 75 a 37.5 cm), la aplicación de herbicidas y el uso de una cubierta vegetal de centeno (Secale cereale (L.)M .Bieb.) controlada con rolo faca (del inglés, roller crimper) para el SCU. En el SDC sólo se incluyeron las dos primeras técnicas. La introducción de leguminosas en los sistemas de cultivo Mediterráneos de secano y regadío llevó a un aumento de la producción de proteína y a una disminución de la producción de energía por unidad de superficie. En condiciones de secano, el sistema de cultivo con haboncillo superó al monocultivo de trigo en términos de proteína producida, independientemente de la dosis de fertilizante nitrogenado (de 0 a 120 kg ha-1). En condiciones de regadío, la diversificación de cultivos con soja no llevó a un incremento de la proteína producida (921 kg ha-1 año-1). En cambio, la intensificación con los SDC de cebada (Hordeum vulgare L.)-maíz y, especialmente, cebada-soja mostraron incrementos significativos en los rendimientos de proteína (1129 y 1778 kg ha-1 año-1, respectivamente). Se observó un incremento en el rendimiento en grano de un 17 a un 28% en los cereales precedidos por una leguminosa, tanto en condiciones de secano como de regadío. En los sistemas de secano, la fijación biológica de N representó un 18 y un 40% de las entradas de N en los sistemas de cultivo con guisante y haboncillo, respectivamente. Se midió un balance neto de N positivo en la mayoría de casos (i.e. N. fijado > N exportado), que contribuyó a los aumentos de rendimiento mencionados. En soja, el uso de grupos de madurez más largos (II y III) que los utilizados tradicionalmente (00 a I) llevó a incrementos del rendimiento entre el 33 y el 80%. La producción de soja podría ser menos dependiente del uso de herbicidas con el uso de cubiertas vegetales de centeno controladas con rolo faca. En este sentido, se observó una reducción del 92% en biomasa de malas hierbas con una cubierta de centeno que acumuló 11.4 t ha-1, mientras que no se halló ningún efecto sobre las malas hierbas cuando la cantidad de cubierta era inferior a las 4 t ha-1. La menor distancia PhD thesis Genís Simon Miquel viii entre líneas de siembra no afectó a la presión de malas hierbas ni al rendimiento de la soja, probablemente debido a la presencia de restos vegetales en superficie (centeno en el SCU y restos de cosecha de cebada en el SDC). Rediseñar los sistemas de cultivo incluyendo una mayor proporción de leguminosas es una estrategia para incrementar la producción de proteína vegetal. Al mismo tiempo, reduce la dependencia en los fertilizantes sintéticos nitrogenados, lo que incrementa la sostenibilidad de los sistemas de producción de alimentos. Los aumentos en producción de proteína van acompañados de una disminución en la producción de energía, que se compensa parcialmente con el efecto positivo de las leguminosas en el cereal sucesivo. El rendimiento de soja en condiciones Mediterráneas de regadío puede incrementarse con el uso de grupos de madurez más largos. El uso de una cubierta vegetal controlada con rolo faca puede ser una herramienta de control de malas hierbas sostenible y efectiva en soja de cosecha única, siempre que la biomasa acumulada de centeno sea suficiente.

European agriculture is strongly specialized in cereal production, presenting agronomic and environmental risks and increasing the dependence on imported high-value protein. For instance, rainfed and irrigated Mediterranean agriculture is highly based on continuous winter cereals and maize (Zea mays L.), respectively. The objective of this dissertation was to evaluate redesigned Mediterranean cropping systems with a larger share of grain legumes, adequate cultivars and maturity groups and more sustainable management practices in terms of productivity and sustainability. The first part of the thesis tackled the redesign and assessment of Mediterranean rainfed (Chapter I) and irrigated (Chapter II) cropping systems. The second part focused on exploring soybean (Glycine max Merr.) plant material to maximise its yield (Chapter III) and studying alternative soybean weed management strategies for irrigated single and double cropping systems (SCS and DCS, respectively) (Chapter IV). Four field experiments were conducted in Lleida (NE Spain) during three experimental cropping seasons. For Chapters I and II, redesigned cropping systems were assessed in two on-farm field experiments under no-till conditions. In the rainfed area, the focus was on crop diversification with pea (Pisum sativum L.), faba bean (Vicia faba L.) and a multiservice cover crop as alternatives to wheat (Triticum aestivum L.) combined with increasing N fertilization rates (0, 40, 80, 120 kg N ha-1). Under irrigated conditions, crop diversification (soybean introduction) and intensification (from SCS to DCS) were studied as alternatives to continuous maize. In both cases, cropping systems’ productivity and N use efficiency were calculated. For Chapters III and IV, the field experiments focused on (i) soybean maturity groups (from 00 to III) for SCS and DCS and (ii) sustainable soybean weed management strategies including row width narrowing (75 to 37.5 cm), herbicide application and using a roller-crimped rye (Secale cereale (L.)M.Bieb.) cover crop for SCS and the two former ones for DCS. Legumes introduction in rainfed and irrigated cropping systems led to an increase in protein production and a decrease in energy production per unit of surface. Under rainfed conditions, the faba bean cropping system outyielded continuous wheat in terms of protein production, regardless of the N fertilizer rate (0 to 120 kg ha-1). Under irrigated conditions, diversification with soybean in the SCS did not lead to an increase in protein production (921 kg ha-1 yr-1, on average). Instead, intensification with barley (Hordeum vulgare L.)-maize and especially barley-soybean DCS showed a higher protein production (1129 and 1778 kg ha-1 yr-1, respectively). A range of 17-28% yield increase was observed in cereals following legumes in rainfed and irrigated cropping systems. In the rainfed systems, 18% and 40% of the total N input in the pea and faba bean cropping systems was supplied by biological N fixation, respectively. A positive net N balance (i.e. biologically fixed N > N exported) was found in most cases, likely contributing to the pre-crop effects. The use of later soybean maturity groups (II and III) than currently used (00 to I) led to yield increases ranging from 33% to 80%. Soybean production could rely less on herbicides with the use of a roller-crimped rye cover crop. A reduction of 92% of weed biomass was observed when rye biomass was 11.4 t DM ha-1, whereas no effect was found below 4 t DM ha-1. Narrowing row widths did not affect weed pressure or soybean yield, probably due to the presence of mulches (rye in SCS and barley crop residues in DCS). In conclusion, cropping systems redesign with a larger share of grain legumes is a strategy to increase protein production while reducing the need for synthetic N fertilizer, thus contributing to their sustainability. Such an increase in protein production is accompanied by a decrease in energy production, although partially offset by the positive pre-crop effects of legume crops on the following cereal. Soybean yield under Mediterranean irrigated conditions can be improved with the use of later maturity groups. The use of a roller-crimped rye cover crop in a soybean SCS can be an effective weed control strategy, provided enough rye biomass is accumulated before soybean planting.