Spatial crop-water variations in rainfed wheat systems: From simulation modelling to site-specific management

Abstract

In sloping fields, rainfed crops experience different degrees of water stress caused by spatial variations in water and, consequently, yields also vary spatially within a field. This offers opportunities for precision agriculture through site-specific management. However, while significant advances have been accomplished in the engineering aspects of precision agriculture, such as increasing spatial resolution of data systems and automation, much less effort has been dedicated to the simulation of within field crop responses to spatial variations. Most studies on rainfed yield gaps ignore intra-plot variability, but if crop models are to be used in assisting site-specific management, they may greatly benefit from spatial water modelling approaches capable of accurately representing and simulating within-field variation of water-related processes. This doctoral thesis represents a novel contribution to the agronomy of rainfed agricultural systems, evaluating the role played by water flows in areas of undulating topography in determining the spatial variations of wheat yield. The thesis has been carried out in chapters that are associated by following an integrative approach. The thesis first reviewed some of the most widely adopted crop and hydrologic models and explored new opportunities for simulating spatial water variations at crop field level through the incorporation of lateral inflow at lower elevation zones of the field. From this standpoint, the spatial variations of yield gaps in rainfed wheat, caused by lateral flows from high to low areas, were assessed in Córdoba, Spain. From an agronomic perspective, water lateral inflows (LIF) due to surface and subsurface runoff contribute to yield variations in rainfed wheat production systems such as the one studied here. The net contribution of these flows to spatial variations of rainfed potential yields showed to be relevant but highly irregular among years. Despite the inter-annual variability, typical of Mediterranean conditions, the occurrence of LIF caused simulated wheat yields to vary +16% from up to downslope areas of the field. Average crop yield ranged from 1.3 to 5.4 Mg grain yield (GY) ha−1. The net yield responses to LIF, in downslope areas were on average 383 kg grain yield (GY) ha−1, and the LIF marginal water productivity reached 24.6 (±13.2) kg GY ha−1 mm−1 in years of maximum responsiveness. Such years of maximum responsiveness were associated with low rainfall during the vegetative stages of the crop in combination with LIF occurring at post-flowering stages. However, under field conditions, these differences were only visible in one of the two experimental years. The economic implications associated with multiple scenarios of variable application rate of nitrogen were explored through a case study and several recommendations were proposed. Both farm size (i.e., annual sown area) and topographic structure impacted the dynamics of investment returns. Under current policy-prices conditions, the adoption of variable application rate would have an economic advantage in farms similar to that of the case study with an annual sown area greater than 567 ha year−1. Nevertheless, current trends on energy prices, transportation costs and impacts on both cereal prices and fertilizers costs enhance the viability of variable application rate adoption for a wider population of farm types. The profitability of adopting VAR improves under such scenarios and, in the absence of additional policy support, the minimum area for adoption of variable application rate decreases to a farm size range of 68-177 ha year−1. The combination of price increases with the introduction of an additional subsidy on crop area could substantially lower the adoption threshold down to 46 ha year−1, turning this technology economically viable for a much wider population of farmers.

En campos en pendiente, los cultivos de secano experimentan diferentes grados de estrés hídrico causados por variaciones espaciales de la humedad en el suelo, y los rendimientos varían espacialmente dentro del mismo campo. Esta variabilidad supone una oportunidad para la agricultura de precisión a través del manejo espacialmente variable. Sin embargo, si bien se han logrado avances significativos en los aspectos de la ingeniería de la variación espacial, como el aumento de la resolución espacial de los sistemas de datos y la automatización, se ha avanzado mucho menos en relación a la simulación de las respuestas de los cultivos a las variaciones espaciales de la humedad y los flujos hídricos. La mayoría de los estudios sobre las brechas de rendimiento de secano ignoran la variabilidad dentro de la parcela. Sin embargo, el uso de modelos de simulación de cultivos como medida de apoyo a los sistemas de gestión espacialmente variable, requiere que los enfoques de modelación espacial del agua sean capaces de representar y simular con precisión la variación dentro del campo de los factores relacionados con el agua disponible y la respuesta de los cultivos. Esta tesis doctoral representa una nueva contribución a la agronomía de los sistemas agrícolas de secano, con énfasis en el papel que juegan los flujos de agua en zonas de topografía ondulada en la determinación de las variaciones espaciales del rendimiento del trigo. La tesis se ha desarrollado en capítulos que se complementan siguiendo un enfoque integrador. La presente tesis doctoral revisó algunos de los modelos hidrológicos y de cultivo más ampliamente adoptados y exploró nuevas oportunidades para simular variaciones espaciales del agua a nivel de campo mediante la incorporación del flujo lateral de escorrentía superficial y sub-superficial en las zonas de menor elevación del campo. Desde este punto de vista, se evaluaron las variaciones espaciales de las brechas de rendimiento en trigo de secano, en Córdoba, España, que son causadas por flujos laterales de los puntos altos a los bajos. Desde una perspectiva agronómica, las entradas laterales del agua contribuyen a las variaciones de rendimiento en los sistemas de producción de trigo de secano como el que se ha estudiado en el ámbito de esta tesis. La contribución neta de estos flujos a las variaciones espaciales de los rendimientos potenciales de secano se mostró relevante pero altamente irregular entre diferentes años. A pesar de la variabilidad interanual, típica de las condiciones mediterráneas, la existencia de dichos flujos hizo que los rendimientos de trigo simulados variaran un +16% desde las áreas más elevadas de un campo hacia abajo. El rendimiento medio observado osciló entre 1.3 y 5.4 Mg de rendimiento de grano (GY) ha−1. Las respuestas de rendimiento neto al flujo lateral, cuenca abajo, fueron en promedio 383 kg de rendimiento de grano (GY) ha−1, y la productividad marginal de agua de LIF alcanzó 24.6 (±13.2) kg GY ha−1 mm−1 en años de máxima capacidad de respuesta. Dichos años de máxima capacidad de respuesta se asociaron con bajas precipitaciones durante las etapas vegetativas del cultivo en combinación con flujos laterales en las etapas posteriores a la floración. En condiciones de campo, estas diferencias solo fueron visibles en uno de los dos años experimentales. Las implicaciones económicas asociadas con múltiples escenarios de tasa de aplicación variable de nitrógeno se exploraron a través de un caso de estudio y se propusieron varias recomendaciones. Tanto el tamaño de la finca (el área sembrada anual) como la estructura topográfica afectaron la dinámica de los rendimientos de la inversión. Bajo las condiciones actuales de política agrícola, y de precios, la adopción de la tasa de aplicación variable tendría una ventaja económica en fincas similares a la del caso de estudio con un área sembrada anual superior a 567 ha año−1. Sin embargo, las tendencias actuales en los precios de la energía, los costes de transporte y los impactos tanto en los precios de los cereales como en los costes de los fertilizantes mejoran la viabilidad de la adopción de esta tecnología para una población más amplia de tipos de fincas. La rentabilidad de la adopción de aplicación variable de nitrógeno mejora bajo dichos escenarios y, en ausencia de apoyos adicionales, el área mínima para la adopción de aplicación variable disminuye hasta un rango de 68-177 ha año−1 de área de siembra. La combinación de aumentos de precios con la introducción de un subsidio adicional asociado al área de cultivo podría reducir sustancialmente el umbral de adopción hasta 46 ha año−1, lo que hace que la tecnología sea económicamente viable para una población mucho más amplia de agricultores.