Do no-till and pig slurry application improve barley yield and water and nitrogen use efficiencies in rainfed Mediterranean conditions?

Tillage and N fertilization strategies including mineral and organic sources need to be studied in combination given their importance on the production cost that farmers face and their potential interaction on crop performance. A four-year (2010–2014) experiment based on barley monocropping was carried out in NE Spain in a typical rainfed Mediterranean area. Two tillage treatments (CT, conventional tillage; NT, no-tillage) and three rates of N fertilization (0; 75 kg N ha−1, applied at top-dressing; 150 kg N ha−1, applied at pre-sowing and at top-dressing at equal rate), with two types of fertilizers (ammonium-based mineral fertilizer and organic fertilizer with pig slurry), were compared in a randomized block design with three replications. Different soil (water and nitrate contents) and crop (above-ground biomass, grain yield, yield components and N concentration in biomass and grain) measurements were performed. Water- and nitrogen use efficiencies (WUE and NUE) as well as other N-related indexes (grain and above-ground biomass N uptake; NHI, nitrogen harvest index; NAR, apparent nitrogen recovery efficiency) were calculated. Barley above-ground biomass and grain yield were highly variable and depended on the rainfall received on each cropping season (ranging between 280 mm and 537 mm). Tillage and N fertilization treatments affected barley grain yields. No-tillage showed 1.0, 1.7 and 6.3 times greater grain yield than CT in three of the four cropping seasons as a result of the greater soil water storage until tillering. Water scarcity during the definition of the number of spikes per m2 under CT would have compromised the compensation mechanism of the other two yield components. Pig slurry application led to the same (3 of 4 years) or higher (1 of 4 years) grain yield than an equivalent rate of mineral N fertilizer. Regardless the N origin, barley yield did not respond to the application of 150 kg N ha−1 split between pre-sowing and top-dressing compared to the 75 kg N ha−1 rate applied as top-dressing. A significant nitrate accumulation in the soil over the experimental period was observed under CT. Greater barley water use efficiency for yield (WUEy), N uptake and grain N content were found under NT than CT in three of the four cropping seasons studied. Moreover, for a given N rate, the use of organic fertilization increased significantly the WUEy as an average of CT and NT. When CT was used, a greater NHI was observed when using pig slurry compared with mineral N as an average of the four years studied. However, the use of different N fertilization treatments (rates or types) under CT or NT did not increase the NUE compared with the control. Our study demonstrates that the use of NT and the application of agronomic rates of N as pig slurry leads to greater barley yield and water- and nitrogen-use efficiencies than the traditional management based on CT and mineral N fertilization.We thank Silvia Martí, Carlos Cortés, Ana Bielsa, Maria José Salvador, Josan Palacio and Héctor Martínez for their technical assistance. Daniel Plaza-Bonilla received a Juan de la Cierva Postdoctoral Grant from the Ministerio de Economía y Competitividad of Spain. This research was supported by the Ministerio de Economía y Competitividad of Spain (grants AGL2007-66320-C02-01, AGL2010-22050-C03-01/02 and AGL2013-49062-C4). This paper has been produced within the context of the Red SIRENA network (Ref. AGL2015-68881-REDT) funded by the Ministerio de Economía y Competitividad of Spain

An automated disc infiltrometer for infiltration rate measurements using a microflowmeter

19 Pag., 1 Tabl., 4 Figs. The definitive version is available at: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1099-1085This work presents a new design of disc infiltrometer, which, associated with a microflowmeter (MF) and a solenoid valve set, makes it possible to automate the infiltration rate (Q) measurements at different soil pressure heads (ψ). The MF consists of a 13·8-cm long and 1·5 mm i.d. pipe, with a pressure transducer connecting the two ends of the MF, inserted in a water-flow pipe that connects the Mariotte tube and the water-supply reservoir of the disc infiltrometer. Water flow is calculated from the head losses in the MF. Changes in ψ in the bubble tower, automatically affected when the infiltration rate reaches steady state, are controlled by a datalogger connected to four solenoid valves. The new design was tested in laboratory and field conditions, and the results showed that the MF allows the soil water infiltration rates to be correctly estimated for different soil characteristics. The solenoid valve set plus datalogger system satisfactorily monitored the changes in ψ and allowed the measurement time to be optimized.This research was supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación of Spain (grants AGL2007-66320-CO2-02/AGR; 200840I214).Peer reviewe

Influencia del sistema de laboreo y del barbecho sobre la dinámica del agua en el suelo y el crecimiento del sistema radicular en condiciones de secano semiárido

L'objectiu d'aquest estudi ha estat investigar l'efecte del sistema de conreu i del guaret a les propietats físiques del sòl relacionades amb l'acumulació de l'aigua i el creixement de les arrels. Per això es va establir un experiment a La Segarra (Lleida) a dos sols de diferent profunditat. El sòl més profund era un Fluventic Xerochrept de 120 cm de fondària, típic de les posicions de fons de vall. El sòl més superficial, un Lithic Xeric Torriorthent de 30 cm de fondària, és l'habitual als altiplans. Es van disposar tres franges: una franja central amb cultiu continuat d'ordi i dos franges laterals que alternaven cada any entre guaret i cultiu. Es van comparar tres sistemes de conreu al sòl profund (conreu amb subsolador, conreu mínim i no conreu o sembra directa) i dos al sòl superficial (conreu mínim i sembra directa). En moments significatius del desenvolupament del cultiu es va determinar el contingut d'aigua al sòl, la densitat de longitud radicular i la biomassa aèria. Al final del cicle del cultiu es va determinar el rendiment. També es va fer un seguiment de la densitat aparent, la resistència a la penetració, la conductivitat hidràulica a diferents potencials, el percentatge de sòl cobert per residus i la rugositat de la superfície del sòl. A la franja de cultiu continuat del sòl profund, el sistema de sembra directa va mantenir el sòl més humit i va permetre el creixement d'un sistema radicular més actiu que el conreu amb subsolador o el mínim conreu. Els rendiments mitjans van ser superiors a la sembra directa (3605 kg ha -1 ) o mínim conreu (3508 kg ha -1 ) que al conreu amb subsolador (3371 kg ha -1 ). Al sòl més superficial els resultats van ser diferents depenent de l'any, tot i que en els valors mitjans de rendiment no hi va haver diferències entre sistemes de conreu (1867 kg ha -1 a la sembra directa i 1806 kg ha -1 al mínim conreu). L'eficiència del guaret per l'acumulació de l'aigua no va superar el 18% en el sòl profund i el 7% en el sòl poc profund. En el període juliol-febrer el guaret sense conreu va mostrar una eficiència més gran que el guaret amb conreu. En el període febrer-octubre va succeir el contrari. L'increment mitjà de rendiment per l'ús del guaret va ser de 128 kg ha -1 al sòl profund i de 371 kg ha -1 al sòl més superficial. La densitat aparent va ser més gran al sistema de no conreu (1,34 Mg m -3 ) que al de mínim conreu (1,27 Mg m -3 ) o al conreu amb subsolador (1,22 Mg m -3 ), encara que sense arribar a valors que poguessin perjudicar el creixement de les arrels. La resistència a la penetració assolí valors superiors a 2 MPa a tots els sistemes, especialment al de sembra directa, sense que es reflectís en un pitjor creixement de les arrels. El guaret va contribuir a reduir la resistència a la penetració, fins i tot en el tractament de sembra directa. En els primers anys després de la supressió del conreu es va observar una reducció de la conductivitat hidràulica (5 cm día -1 ) amb relació al sòl conreat (15 cm día -1 ). Aquest efecte va ser contrarestat per una major superfície de sòl coberta per residus en el sistema de no conreu, que va donar com a resultat una major acumulació d'aigua. Al guaret, la quantitat de residus sobre el sòl es va reduir dràsticament a partir del mes de febrer, deixant el sòl poc protegit de l'evaporació durant l'estiu. El no conreu (o sembra directa) és una alternativa vàlida per als sistemes de secà semiàrid mediterranis. Augmenta la quantitat d'aigua disponible per al cultiu, afavoreix el creixement de les arrels, i permet obtenir rendiments similars o superiores als obtinguts quan es conrea el sòl. El deteriorament de les propietats físiques del sòl (densitat aparent, resistència a la penetració, conductivitat hidràulica) que provoca inicialment es recupera en pocs anys. El guaret, tot i que incrementa l'aigua disponible per al cultiu en sols profunds i augmenta la producció, no compensa l'any sense producció. El sistema potencialment millor de dur-lo a terme es el no conreu. No obstant, aquest sistema s'ha de combinar amb una única passada superficial de cultivador quan la quantitat de residus que cobreixen el sòl baixa del nivell òptim per la conservació de l'aigua i del sòl. El guaret millora les propietats físiques del sòl, característica que el fa interessant per accelerar la recuperació del sòl en els primers anys d'utilització del no conreu.El objetivo de este estudio ha sido investigar el efecto del sistema de laboreo y del barbecho sobre las propiedades físicas del suelo relacionadas con la acumulación del agua y el crecimiento radicular. Para ello se estableció un experimento en La Segarra (Lleida) en dos suelos de diferente profundidad. El suelo más profundo, típico de los fondos de valle, era un Fluventic Xerochrept de 120 cm de profundidad. El suelo más superficial, un Lithic Xeric Torriorthent de 30 cm de profundidad suele encontrarse en los altiplanos. Se dispusieron tres franjas: una franja central con cultivo continuado de cebada y dos franjas laterales que alternaban cada año entre barbecho y cultivo. Se compararon tres sistemas de laboreo en el suelo profundo (laboreo con subsolador, laboreo mínimo y no laboreo o siembra directa) y dos en el suelo superficial (laboreo mínimo y siembra directa). En momentos significativos del desarrollo del cultivo se determinó el contenido de agua en el suelo, la densidad de longitud radicular y la biomasa aérea. Al final del ciclo del cultivo se determinó el rendimiento. Se realizó además un seguimiento de la densidad aparente, la resistencia a la penetración, la conductividad hidráulica a diferentes potenciales, el porcentaje de suelo cubierto por residuos y la rugosidad de la superficie del suelo. En la franja de cultivo continuado del suelo profundo, el sistema de siembra directa mantuvo el suelo más húmedo y permitió el crecimiento de un sistema radicular más activo que el laboreo subsolado o el mínimo laboreo. Los rendimientos medios obtenidos fueron mayores bajo siembra directa (3605 kg ha -1 ) o mínimo laboreo (3508 kg ha -1 ) que cuando se utilizó el subsolador (3371 kg ha -1 ). En el suelo poco profundo los resultados dependieron del año, aunque en los valores medios de rendimiento no hubo diferencias entre sistemas de laboreo (1867 kg ha -1 en siembra directa y 1806 kg ha -1 en mínimo laboreo). La eficiencia del barbecho para la acumulación del agua no superó el 18% en el suelo profundo y el 7% en el suelo poco profundo. Durante el periodo julio-febrero el barbecho sin laboreo mostró una mayor eficiencia que el barbecho con laboreo. En el periodo febrero-octubre sucedió lo contrario. El incremento medio de rendimiento por el uso del barbecho fue de 128 kg ha -1 en el suelo profundo y de 371 kg ha -1 en el suelo poco profundo. La densidad aparente fue mayor en el sistema de no laboreo (1,34 Mg m -3 ) que en el de mínimo laboreo (1,27 Mg m -3 ) o laboreo con subsolador (1,22 Mg m -3 ), aunque sin llegar a valores que pudiesen perjudicar al crecimiento radicular. La resistencia a la penetración alcanzó valores superiores a 2 MPa en todos los sistemas, especialmente bajo siembra directa, sin que se reflejase en un peor crecimiento de las raíces. El barbecho contribuyó a reducir la resistencia a la penetración incluso en el tratamiento de siembra directa. En los primeros años tras la supresión de las labores se observó un reducción de la conductividad hidráulica (5 cm día -1 ) con respecto al laboreo (15 cm día -1 ). Este efecto fue contrarrestado por un mayor cantidad de residuos sobre el suelo, dando como resultado una mayor acumulación de agua bajo no laboreo. Durante el barbecho el porcentaje de suelo cubierto por residuos se redujo drásticamente a partir de febrero, dejando el suelo desprotegido frente a la evaporación del verano. El no laboreo (o siembra directa) es una alternativa válida para los sistemas de secano semiáridos mediterráneos. Incrementa la cantidad de agua disponible para el cultivo, favorece el crecimiento de las raíces, y permite obtener rendimientos similares o superiores a los obtenidos cuando se realiza laboreo. El deterioro de las propiedades físicas del suelo (densidad aparente, resistencia a la penetración, conductividad hidráulica) que provoca inicialmente se recupera al cabo de pocos años. El barbecho, aunque incrementa el agua disponible para el cultivo en suelos profundos y aumenta la producción, no compensa el año sin producción. El sistema potencialmente mejor de llevarlo a cabo es el no laboreo. No obstante, este sistema se debe combinar con un único pase superficial de cultivador cuando la cantidad de residuos que cubren el suelo desciende por debajo del nivel óptimo para la conservación del agua y del suelo. El barbecho mejora las propiedades físicas del suelo, característica que lo hace interesante para acelerar la recuperación del suelo en los primeros años de utilización del no laboreo.The objective of this study was to investigate the effect of tillage system and fallow on the soil physical properties related with water storage and root growth. An experiment was established in La Segarra (Lleida) in two soils of different depth. The deep soil was a Fluventic Xerocherpt of 120 cm depth, typical of valleys. The shallow soil, was a Lithic Xeric Torriorthent of 30 cm depth, and was usually found in the high platforms. The experimental plots were arranged in three strips: a central strip continuous cropped with barley and two lateral strips that alternated each year between fallow and cultivation. Three tillage systems were compared in the deep soil (subsoil tillage, minimum tillage and no-tillage or direct drill) and two in the shallow soil (minimum tillage and no-tillage). Water content in the soil, root length density and biomass were determined at meaningful crop development stages. Yield was determined at the end of the crop cycle. Bulk density, penetration resistance, hydraulic conductivity at different potentials, percent of soil covered by residues and surface roughness were also determined. In the continuous cropped strip of the deep soil, no-tillage system maintained the soil wettest and allowed a more active growth of the root system than the subsoil or the minimum tillage systems. The mean yields were greater under no-tillage (3605 kg ha -1 ) or minimum tillage (3508 kg ha -1 ) that when subsoiler was used (3371 kg ha -1 ). In the shallow soil the results depended on the year though there were not differences between tillage systems in mean yield (1867 kg ha -1 for no-tillage and 1806 kg ha -1 for minimum tillage). The fallow efficiency for water accumulation did not surpass 18% in the deep soil and 7% in the shallow soil. During the July to February period, the fallow without tillage showed a greater efficiency that the tilled fallow. In the February to October fallow period no-tillage showed the lowest efficiency. Mean yield increase by the use of fallow was 128 kg ha -1 in the deep soil and 371 kg ha -1 in the shallow soil. Bulk density was greater in no-tillage (1.34 Mg m -3 ) that in minimum (1.27 Mg m -3 ) or subsoil (1.22 Mg m -3 ) tillage systems, but did not reach limiting levels for root growth. Penetration resistance reached values greater than 2 MPa in all tillage systems, especially under no-tillage, but this was not reflected in a worse root growth. Fallow contributed to reduce penetration resistance even in the no-tillage treatment. In the first years after tillage suppression hydraulic conductivity of the no-tilled soil was reduced with respect to that of the tilled one (5 vs. 15 cm day -1 ). This effect was counteracted by a greater percent of soil surface covered by residues under no-tillage, giving as a result a greater water accumulation in this system. During the fallow the quantity of residues covering the soil reduced drastically from February to the sowing of the following crop, leaving the soil insufficiently protected against summer evaporation. No-tillage (or direct drilling) is a valid alternative for the semi-arid rainfed cropping systems in the Mediterranean area. No-tillage increases the quantity of available water for the crop, favours root growth, and yields obtained are similar or superior to that obtained when tillage is accomplished. Initial damage of the soil physical properties (bulk density, penetration resistance, hydraulic conductivity) observed in this system is recovered in a few years. Fallow increases water availability for the crop in deep soils and increases yield of the next crop but does not compensate the year without production. The potentially better system of performing fallow is no-tillage. Nevertheless, this system should be combined with an only superficial pass of cultivator when the quantity of residues that cover the soil descends below of the optimum level for water and soil conservation. Fallow improves soil physical properties, consequently it may be interesting to accelerate the recovery of the soil in the first years after no-tillage introduction

Alternative crop rotations under Mediterranean no-tillage conditions: Biomass, grain yield, and water-use efficiency

In Mediterranean semiarid areas, barley (Hordeum vulgare L.) and wheat (Triticum aestivum L.) are major crops because they are well adapted to limited-water environments. In this study we tested the performance of alternative rotations to the typical barley and wheat monocultures in a rainfed Mediterranean semiarid area of northeastern Spain under a no-tillage (NT) system. Four rotations were established and maintained over 6-yr period (1999-2000 to 2004-2005): a wheat monoculture (W-W-W), a barley monoculture (B-B-B), a wheat-barley-rapeseed (Brassica napus L.) rotation (W-B-R), and a wheat-barley-vetch (Vicia sativa L.) rotation (W-B-V). Aboveground biomass, grain yield, water use (WU), and water use effi ciency (WUE) were measured several times every season during the study period. All the parameters studied had a strong dependence on the rainfall variability found between growing seasons. Barley under rotation performed better than barley under monoculture in yield and WUE terms. However, wheat performed as well in a monoculture production system as it did in rotation. Rapeseed and vetch failed the 80 and 35% of the growing seasons, respectively. However, in semiarid Mediterranean agroecosystems of northeastern Spain, despite the benefi cial rotation eff ect of theses alternative crops on barley performance, economical benefi t of the overall rotation is doubtful since vetch failed in 2 out of 6 yr and rapeseed failed 5 out of 6 yr.This research was supported by the Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología of Spain (Grants AGL 2004-07763-C02-02 and AGL2007-66320-CO2-02/AGR)Peer Reviewe

Economía del agua en sistemas de secano mediterráneos

19 Pag., 1 Tabl., 13 Fig.Aun a pesar de que hay bases y principios básicos de aplicación general, se necesitan estudios locales para cuantificar específicamente las ventajas y el por qué de las mismas en cada sistema de cultivos, cultivo y sistema de producción. Por ello se siguen realizando estudios que corroboran los principios básicos pero que nos permiten establecer variaciones prácticas para conseguir mejores ventajas en el funcionamiento de estos sistemas de manejo de suelo. Es por ello que, en este capitulo, no se pretende hacer una exposición generalista de los principios básicos, sino ver las ventajas y limitaciones de las técnicas y sistemas de laboreo de conservación en algunos de los sistemas agrícolas españoles donde se han estudiado o se utilizan estas técnicas para determinar las recomendaciones de uso.Peer reviewe