Optimizing the fertilizer N rates at different irrigation levels for optimum yield of wheat and corn at reduced nitrate leaching losses

Resumo Técnico: Otimização das Taxas de Nitrogênio de Fertilizantes em Diferentes Níveis de Irrigação para Trigo e Milho

Definição do Problema
O sistema de cultivo arroz-trigo, um pilar para mais de 20% da população do Sul da Ásia e da China, enfrenta uma produtividade em declínio devido ao aumento dos custos de energia, esgotamento do lençol freático e fertilidade do solo desequilibrada. No Paquistão, onde a agricultura consome até 83% dos recursos de água subterrânea, o manejo inadequado da irrigação e a aplicação excessiva de nitrogênio (N) levaram a uma degradação ambiental significativa. Especificamente, a aplicação pesada de fertilizantes nitrogenados (100–350 kg ha⁻¹) para compensar o baixo carbono orgânico do solo (<1%) e a baixa fertilidade nativa resultou na lixiviação de nitrato (NO₃-N), contaminando as águas subterrâneas em regiões como Punjab e Balochistan. Embora estudos anteriores tenham examinado os efeitos da irrigação e do N em culturas únicas, há uma carência de pesquisa abrangente sobre o sistema de rotação trigo-pousio-milho no que diz respeito aos compromissos entre rendimento sustentável, lucro econômico e minimização das perdas por lixiviação de NO₃-N sob diferentes regimes hídricos.

Metodologia
Experimentos de campo foram conduzidos ao longo de dois anos consecutivos (2007–2009) na Universidade de Agricultura de Faisalabad, Paquistão, utilizando um delineamento de parcelas subdivididas em blocos casualizados com três repetições. O estudo investigou os efeitos interativos de três níveis de irrigação (subótimo I1, ótimo I2, supra-ótimo I3) e três taxas de nitrogênio (subótimo N1, ótimo N2, supra-ótimo N3) em culturas de trigo e milho.

• Níveis de Irrigação: O trigo recebeu 325, 400 e 475 mm; o milho recebeu 375, 525 e 675 mm.
• Taxas de Nitrogênio: O trigo recebeu 100, 130 e 160 kg ha⁻¹; o milho recebeu 220, 270 e 320 kg ha⁻¹.
• Coleta de Dados: Lisímetros de sucção instalados a 1,1 m de profundidade coletaram os lixiviados para medir as concentrações de NO₃-N. O balanço hídrico do solo e a drenagem foram simulados usando o modelo HYDRUS-1D, calibrado com parâmetros hidráulicos do solo medidos.
• Análise: O estudo avaliou características de crescimento (altura da planta, IA, densidade radicular), rendimento de grãos, eficiência do uso da água de irrigação (WUEi), evapotranspiração (ETc), drenagem, lixiviação de NO₃-N, acúmulo de nitrato no solo, recuperação de N e viabilidade econômica (Razão Custo-Valor e Taxa de Retorno Marginal).

Principais Contribuições e Resultados
O estudo fornece uma avaliação quantitativa de como o manejo racional da irrigação e do nitrogênio pode equilibrar rendimento e segurança ambiental em um sistema de rotação trigo-pousio-milho.

1. Rendimento e Crescimento: O aumento dos níveis de irrigação e nitrogênio melhorou significamente a altura da planta, o índice de área foliar (IA) e a densidade de comprimento e peso radicular (RLD e RWD). Os maiores rendimentos de grãos foram observados no tratamento supra-ótimo (I3N3): 4,92 Mg ha⁻¹ para trigo e 9,24 Mg ha⁻¹ para milho. No entanto, o nível de irrigação ótimo combinado com alto nitrogênio (I2N3) produziu rendimentos estatisticamente indistinguíveis de I3N3.
2. Lixiviação de Nitrato: Houve uma correlação positiva direta entre os níveis de irrigação/nitrogênio e a lixiviação de NO₃-N. O tratamento I3N3 resultou nas maiores perdas por lixiviação (9,2 kg ha⁻¹ para trigo e 14,0 kg ha⁻¹ para milho). Crucialmente, o tratamento I2N3 reduziu as perdas anuais de lixiviação de NO₃-N em 28,6% (para 23,8 kg ha⁻¹) em comparação com I3N3, sem sacrificar o rendimento.
3. Eficiência do Uso da Água (WUEi): A eficiência do uso da água de irrigação foi significativamente maior sob o nível de irrigação ótimo (I2) em comparação ao nível supra-ótimo (I3). A WUEi melhorou em 12% no trigo e 20% no milho sob I2 em relação a I3.
4. Análise Econômica: O tratamento I2N3 alcançou a maior Razão Custo-Valor (VCR) de 1,64 para o trigo e 2,04 para o milho. Embora o I3N3 tenha oferecido o maior benefício líquido marginal, o I2N3 proporcionou uma eficiência econômica superior com menores custos de insumos e menor risco ambiental.
5. Impacto do Período de Pousio: O estudo destacou que o período de pousio chuvoso contribui significativamente (14,0–31,5%) para as perdas totais de lixiviação de NO₃-N, indicando que as estratégias de manejo devem se estender além das temporadas de cultivo ativo.

Significância e Alegações
O artigo alega que a combinação de irrigação ótima (I2) e alta aplicação de nitrogênio (N3) representa a estratégia mais sustentável para o sistema de cultivo trigo-milho nesta região. Esta abordagem (I2N3) oferece um cenário de "ganha-ganha": mantém altos rendimentos de grãos comparáveis aos tratamentos supra-ótimos, enquanto reduz significativamente a lixiviação de nitrato e melhora a eficiência do uso da água.

Os autores concluem que, embora os níveis subótimos reduzam a lixiviação, eles causam perdas de rendimento inaceitáveis. Por outro lado, a irrigação supra-ótima leva a excessos de nitrogênio e riscos ambientais sem ganhos proporcionais de rendimento. Portanto, o tratamento I2N3 é recomendado para alcançar produtividade sustentável e segurança ambiental. O estudo observa ainda que investigações adicionais são necessárias para minimizar a lixiviação durante o período de pousio chuvoso, potencialmente através do plantio precoce do milho e da melhoria da eficiência do fertilizante (ex: revestimento), para realizar plenamente os objetivos de produtividade sustentável.