Study on agroecological functions of conservation agriculture principles on rainfed rice production in the lake Alaotra region (Madagascar)

L’Agriculture de conservation (AC) repose sur trois principes: le minimum de travail du sol, la couverture permanente du sol et la diversification des espèces cultivées. Elle a été introduite vers la fin des années 90 dans la région du lac Alaotra, Madagascar, dans l’objectif d’augmenter la productivisté de l’agriculture pluviale qui, généralement, pâtit des problèmes liés à la faible fertilité des sols, aux contraintes hydriques et à l’enherbement. L’objectif principal de la thèse consiste à quantifier et caractériser les impacts des fonctions agro-écologiques de l’AC dans l’amélioration du rendement en riz pluvial par rapport aux pratiques conventionnelles (CT). Une revue de la littérature sur les fonctions agro-écologiques du mulch en fonction de leur quantité retenue sur la parcelle a tout d’abord montré que la quantité de couverture nécessaire va dépendre essentiellement des fonctions agro-écologiques attendues. Une quantité de couverture de 2 à 3 t ha-1 permet d’obtenir des effets très nets en ce qui concerne l’amélioration de l’infiltration de l’eau, la limitation du ruissellement et de l’érosion du sol. En revanche, les données sur le contrôle de l’enherbement, la disponibilité des nutriments ainsi que la faune du sol en fonction de la quantité de mulch étaient très variables, suggérant l’interaction de ses fonctions agro-écologiques avec d’autres facteurs, notamment le type de résidus et les conditions pédoclimatiques. Une première expérimentation dont l’objectif était la quantification des effets physiques du mulch sur l’enherbement, avec différentes quantités de résidus de 0 à 45 t ha-1 a montré que l’émergence et la biomasse des adventices sur les parcelles couvertes dépend essentiellement de la quantité et de la distribution de la pluviométrie durant la saison culturale. L’émergence ainsi que la biomasse des mauvaises herbes diminuent en général avec l’augmentation de la quantité de mulch maintenue sur les parcelles. Toutefois, une quantité de résidus de l’ordre de 10 t ha-1 est nécessaire pour réduire significativement la pression des adventices sur le riz par rapport à un sol nu dans les conditions de notre dispositif expérimental. Un deuxième dispositif maintenu durant 6 ans (2009/10 à 2014/15), combinait une rotation biennale de maïs + dolique // riz et une rotation triennale de maïs + stylosanthes // stylosanthes // riz ; trois modes de gestion du sol et des résidus et deux niveaux de fertilisation. Deux niveaux d’enherbement en split plot ont été ajoutés en 2013/14 et 2014/15. L’amélioration du rendement en riz sur les parcelles en AC par rapport aux parcelles en CT est essentiellement liée à une diminution de la pression des adventices sur les parcelles AC pendant la période de végétation du riz. La dynamique de l’eau dans le sol ainsi que la dynamique de l’azote minéral sont fortement influencées par le régime pluviométrique et ne différent généralement pas entre AC et CT. Enfin, l’analyse de stabilité et l’écart de rendement au potentiel utilisés pour étudier les variations de rendements en riz sur les 6 saisons culturales du second dispositif expérimental ont montré que les effets des traitements étaient en interaction avec d’autres facteurs probablement liés à la variabilité spatiale du sol sur le dispositif expérimental. Les résultats de cette étude nous suggèrent de tenir compte aussi bien des fonctions agro-écologiques du mulch attendues que les régimes pluviométriques lors de la promotion d’un système AC pour améliorer la productivité des cultures. L'AC avec une quantité de résidus généralement retenus dans les parcelles de l'agriculteur (i.e. 1 - 2 t ha-1) serait efficace pour lutter contre le ruissellement et l'érosion. Cependant, des quantités supplémentaires de résidus, qui pourraient être produites avec l’introduction de rotations culturales avec une forte production de biomasse, seraient nécessaires pour lutter efficacement contre les adventices et diminuer les charges liées au sarclage.Conservation agriculture (CA) is based on the principles of minimum soil disturbance, permanent soil cover and diversification of crop species grown in rotations and/or associations. CA was introduced in the late 90s in the Lake Alaotra region, Madagascar, in order to improve rainfed crop productivity which is commonly constrained by low soil fertility, soil water stress and weed infestation. The main objective of this study was to quantify and understand the impact of CA on rainfed rice productivity as compared to the practice of conventional tillage (CT). First, a review of literature was conducted on the agro-ecological functions of mulching with crop residues in relation to their quantity. The literature review showed that the optimal amount of residues required principally depends on the agro-ecological function searched for. Residue amounts of 2 to 3 t ha-1 had clear positive effects in terms of improving water infiltration and limiting water runoff and soil erosion. On the other hand, results on weed control, nutrient availability and soil fauna in relation to the amount of mulch were highly variable, suggesting the interaction of these agro-ecological functions with other factors, including residue type and soil-climate conditions. Second, two field experiments were monitored at the research center of FOFIFA in the Lake Alaotra region. A first experiment aiming at quantifying the physical effect of a mulch of crop residues on weed infestation, with amounts of surface residues ranging from 0 to 45 t ha-1 showed that the emergence and biomass of weeds on mulched plots depend mainly on the quantity and distribution of rainfall during the cropping season. Overall, weed emergence and biomass decreased with increasing amounts of mulch. However, a large quantity of residues, i.e. in the order of 10 t ha-1, was required to significantly (p<0.05) reduce weed pressure as compared to a bare soil under the agro-ecological conditions of our experiments. The second experiment was conducted during six years (2009/10 to 2014/15), and a 2-year rotation of maize + Dolichos lablab // rice and a 3-year rotation of maize + Stylosanthes guianensis // S. guianensis // rice were combined with three soil/residue management practices and two level of fertilization. Two levels of weed pressure were added as split-plot in 2013/14 and 2014/15. Higher rice grain yields on CA plots as compared to CT plots in the fifth and sixth year of the CA practice were mainly related to a decline of weed pressure under CA. Soil water and mineral nitrogen dynamics did not differ markedly between CA and CT and were strongly influenced by the rainfall pattern. Finally, the use of the concept of stability analysis and the yield gap approach to analyze the variation of rice yield under the 6 crop seasons from 2009/10 to 2014/15 showed that the effects of treatments including crop rotation, soil and residue management, and fertilization levels interact with other factors likely related to the spatial variability of the experimental design. Results of our study suggest that both agro-ecological function of mulch searched for and rainfall conditions should be taken into account when promoting CA systems to improve crop productivity in the Lake Alaotra region. Practicing CA with typical amounts of residues that are produced on farmer’s field (i.e. 1 – 2 t ha-1) is sufficient to control water runoff and soil erosion. However, extra amounts of crop residues are required to effectively control weed infestation. These extra amounts could be produced with the introduction of high biomass-producing crop rotations and could decrease the labor pressure from weeding

Etude des fonctions agro-écologiques des principes de l'agriculture de conservation dans l'amélioration de la production du riz pluviale dans la région du lac Alaotra (Madagascar)

Conservation agriculture (CA) is based on the principles of minimum soil disturbance, permanent soil cover and diversification of crop species grown in rotations and/or associations. CA was introduced in the late 90s in the Lake Alaotra region, Madagascar, in order to improve rainfed crop productivity which is commonly constrained by low soil fertility, soil water stress and weed infestation. The main objective of this study was to quantify and understand the impact of CA on rainfed rice productivity as compared to the practice of conventional tillage (CT). First, a review of literature was conducted on the agro-ecological functions of mulching with crop residues in relation to their quantity. The literature review showed that the optimal amount of residues required principally depends on the agro-ecological function searched for. Residue amounts of 2 to 3 t ha-1 had clear positive effects in terms of improving water infiltration and limiting water runoff and soil erosion. On the other hand, results on weed control, nutrient availability and soil fauna in relation to the amount of mulch were highly variable, suggesting the interaction of these agro-ecological functions with other factors, including residue type and soil-climate conditions. Second, two field experiments were monitored at the research center of FOFIFA in the Lake Alaotra region. A first experiment aiming at quantifying the physical effect of a mulch of crop residues on weed infestation, with amounts of surface residues ranging from 0 to 45 t ha-1 showed that the emergence and biomass of weeds on mulched plots depend mainly on the quantity and distribution of rainfall during the cropping season. Overall, weed emergence and biomass decreased with increasing amounts of mulch. However, a large quantity of residues, i.e. in the order of 10 t ha-1, was required to significantly (p<0.05) reduce weed pressure as compared to a bare soil under the agro-ecological conditions of our experiments. The second experiment was conducted during six years (2009/10 to 2014/15), and a 2-year rotation of maize + Dolichos lablab // rice and a 3-year rotation of maize + Stylosanthes guianensis // S. guianensis // rice were combined with three soil/residue management practices and two level of fertilization. Two levels of weed pressure were added as split-plot in 2013/14 and 2014/15. Higher rice grain yields on CA plots as compared to CT plots in the fifth and sixth year of the CA practice were mainly related to a decline of weed pressure under CA. Soil water and mineral nitrogen dynamics did not differ markedly between CA and CT and were strongly influenced by the rainfall pattern. Finally, the use of the concept of stability analysis and the yield gap approach to analyze the variation of rice yield under the 6 crop seasons from 2009/10 to 2014/15 showed that the effects of treatments including crop rotation, soil and residue management, and fertilization levels interact with other factors likely related to the spatial variability of the experimental design. Results of our study suggest that both agro-ecological function of mulch searched for and rainfall conditions should be taken into account when promoting CA systems to improve crop productivity in the Lake Alaotra region. Practicing CA with typical amounts of residues that are produced on farmer’s field (i.e. 1 – 2 t ha-1) is sufficient to control water runoff and soil erosion. However, extra amounts of crop residues are required to effectively control weed infestation. These extra amounts could be produced with the introduction of high biomass-producing crop rotations and could decrease the labor pressure from weeding.L’Agriculture de conservation (AC) repose sur trois principes: le minimum de travail du sol, la couverture permanente du sol et la diversification des espèces cultivées. Elle a été introduite vers la fin des années 90 dans la région du lac Alaotra, Madagascar, dans l’objectif d’augmenter la productivisté de l’agriculture pluviale qui, généralement, pâtit des problèmes liés à la faible fertilité des sols, aux contraintes hydriques et à l’enherbement. L’objectif principal de la thèse consiste à quantifier et caractériser les impacts des fonctions agro-écologiques de l’AC dans l’amélioration du rendement en riz pluvial par rapport aux pratiques conventionnelles (CT). Une revue de la littérature sur les fonctions agro-écologiques du mulch en fonction de leur quantité retenue sur la parcelle a tout d’abord montré que la quantité de couverture nécessaire va dépendre essentiellement des fonctions agro-écologiques attendues. Une quantité de couverture de 2 à 3 t ha-1 permet d’obtenir des effets très nets en ce qui concerne l’amélioration de l’infiltration de l’eau, la limitation du ruissellement et de l’érosion du sol. En revanche, les données sur le contrôle de l’enherbement, la disponibilité des nutriments ainsi que la faune du sol en fonction de la quantité de mulch étaient très variables, suggérant l’interaction de ses fonctions agro-écologiques avec d’autres facteurs, notamment le type de résidus et les conditions pédoclimatiques. Une première expérimentation dont l’objectif était la quantification des effets physiques du mulch sur l’enherbement, avec différentes quantités de résidus de 0 à 45 t ha-1 a montré que l’émergence et la biomasse des adventices sur les parcelles couvertes dépend essentiellement de la quantité et de la distribution de la pluviométrie durant la saison culturale. L’émergence ainsi que la biomasse des mauvaises herbes diminuent en général avec l’augmentation de la quantité de mulch maintenue sur les parcelles. Toutefois, une quantité de résidus de l’ordre de 10 t ha-1 est nécessaire pour réduire significativement la pression des adventices sur le riz par rapport à un sol nu dans les conditions de notre dispositif expérimental. Un deuxième dispositif maintenu durant 6 ans (2009/10 à 2014/15), combinait une rotation biennale de maïs + dolique // riz et une rotation triennale de maïs + stylosanthes // stylosanthes // riz ; trois modes de gestion du sol et des résidus et deux niveaux de fertilisation. Deux niveaux d’enherbement en split plot ont été ajoutés en 2013/14 et 2014/15. L’amélioration du rendement en riz sur les parcelles en AC par rapport aux parcelles en CT est essentiellement liée à une diminution de la pression des adventices sur les parcelles AC pendant la période de végétation du riz. La dynamique de l’eau dans le sol ainsi que la dynamique de l’azote minéral sont fortement influencées par le régime pluviométrique et ne différent généralement pas entre AC et CT. Enfin, l’analyse de stabilité et l’écart de rendement au potentiel utilisés pour étudier les variations de rendements en riz sur les 6 saisons culturales du second dispositif expérimental ont montré que les effets des traitements étaient en interaction avec d’autres facteurs probablement liés à la variabilité spatiale du sol sur le dispositif expérimental. Les résultats de cette étude nous suggèrent de tenir compte aussi bien des fonctions agro-écologiques du mulch attendues que les régimes pluviométriques lors de la promotion d’un système AC pour améliorer la productivité des cultures. L'AC avec une quantité de résidus généralement retenus dans les parcelles de l'agriculteur (i.e. 1 - 2 t ha-1) serait efficace pour lutter contre le ruissellement et l'érosion. Cependant, des quantités supplémentaires de résidus, qui pourraient être produites avec l’introduction de rotations culturales avec une forte production de biomasse, seraient nécessaires pour lutter efficacement contre les adventices et diminuer les charges liées au sarclage

Effectiveness of conservation agriculture in increasing crop productivity in low-input rainfed rice cropping systems under humid subtropical climate

International audienc

Agro-ecological functions of crop residues under conservation agriculture. A review

International audienceAbstractConservation agriculture, which is based on minimum tillage, permanent soil cover and crop rotations, has widely been promoted as a practice to maintain or improve soil quality and enhance crop productivity. To a large extent, the beneficial effects of conservation agriculture are expected to be provided by permanent soil cover with crop residues. Surface crop residues play an important role for crop growth through their benefits on soil-related structural components and processes in the agro-ecosystem, referred to in this study as agro-ecological functions. Through a meta-analysis of the literature, we have studied the relative effects of surface crop residue levels on the performance of a set of agro-ecological functions compared with a no-till bare soil, i.e., without surface residues. The selected agro-ecological functions were soil water evaporation control, soil water infiltration, soil water runoff control, soil loss control, soil nutrient availability, soil organic carbon (SOC) stocks and gains, weed control and soil meso- and macrofauna abundance. The potential effects of crop residue cover were quantified using boundary line models. Our main findings were (1) 8 t ha−1 of residues were needed to decrease soil water evaporation by about 30% compared to no-till bare soil. (2) To achieve the maximum effect on soil water infiltration, water runoff and soil loss control, residue amounts of at least 2 t ha−1 were required. (3) The effect of increasing the amounts of surface crop residues on soil nutrient supply (N, P and K) was relatively low; the boundary line models were not significant. (4) The average annual SOC gain increased with increasing amounts of residues, with a mean of 0.38 t C ha−1 year−1 with 4 to 5 t ha−1 of residues. (5) Weed emergence and biomass can be reduced by 50% compared to a no-till bare soil with residue amounts of 1 t ha−1 or more. (6) There was a weak response in soil meso- and macrofauna abundance to increasing amounts of surface crop residues. The maximum effect corresponded to an increase of 45% compared to a no-till bare soil and was reached from 10 t ha−1 of residues. Our findings suggest that optimal amounts of surface residues in the practice of conservation agriculture will largely depend on the type of constraints to crop production which can be addressed with mulching

Can green manure contribute to sustainable intensification of rainfed rice production in Madagascar?

International audienceGreen manure can be a source of nutrients for crops to spare some of the mineral fertilizer required for sus-tainable intensification of agriculture in smallholder context. We explored with a calibrated model the potential of legume green manure to help spare mineral fertilizer for sustainable intensification of rainfed rice production in Madagascar highlands. This study builds on a two-year rice experiment with rice and green manure as pre-vious crop. The experiment investigated the response of rainfed rice growth to the incorporation into the soil of i) rice residue only (C:N ratio of 44.9) and ii) mucuna + crotalaria green manures (C:N ratio of 18.7). Two levels of fertilizer were investigated: manure only (5 t DM ha-1) (F1) and manure (5 t DM ha-1) in combination with mineral fertilizer (136 kg N ha-1) (F2). The crop model STICS was calibrated against observed soil water and soil mineral N, plant N uptake, aboveground biomass and grain yield to reproduce the impact of residue type and fertilizer input on mineralization of organic N in soil and in crop residue, crop growth and grain yield. The calibrated crop model was then used to explore rice response to mineral N fertilizer, with or without green manure, for the historical climate (1994-2018). Relative Root Mean Square Error (rRMSE) of model simulations fell within the observed relative variation in grain yield due to treatment effect. With green manure, mineral N available for rice increased compared with the situation without green manure, leading to greater agronomic use efficiency of N fertilizer. Green manure helped spare mineral fertilizer to achieve a reference yield set at 75 % of potential yield. This reference yield (3.67 t ha- 1 on average across years) was reached with 40 kg N ha-1 with 6 t ha-1 of green manure, and 100 kg N ha-1 without green manure. The analysis of rice yield inter-annual vari-ability indicated that (i) N leaching increased with total seasonal rainfall, which undermined the benefits of green manure on rice productivity in wetter years, and (ii) the increase in rice productivity allowed by the green manure did not fully compensate the rice yield foregone with the cultivation of the green manure. The calibrated model can be a useful tool to explore additional management strategies that will help maximize the benefit of green manure for sustainable intensification of rice-based cropping systems, especially in low-input cropping systems