Une disponibilité élevée en N diminue l'absorption de N et le rendement dans des conditions de disponibilité en eau limitée dans le maïs

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14269 (2023) Citer cet article

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L’eau et l’azote (N) sont les facteurs les plus limitants de la productivité des plantes à l’échelle mondiale, mais nous manquons d’une compréhension critique de l’impact de la disponibilité de l’eau sur la dynamique de l’azote dans les systèmes agricoles. Les besoins en azote des plantes sont particulièrement incertains lorsque l’eau est limitée en raison de l’effet interactif de l’eau et de l’azote sur la croissance des plantes, la demande en azote et l’absorption par les plantes. Nous avons étudié les impacts de l'application d'azote et de la disponibilité de l'eau sur la croissance des plantes et le mouvement de l'azote, y compris la croissance aérienne et souterraine, la productivité de l'eau, la productivité de l'azote, l'absorption de l'azote, la récupération de l'azote et les émissions de gaz à effet de serre dans un système semi-aride du nord-est du Colorado, aux États-Unis. La disponibilité modérément élevée de N dans le sol a diminué le rendement en grains et la croissance des pousses dans des conditions de disponibilité en eau limitée ou totale, malgré l'absence d'indication de toxicité physique, et s'est accompagnée d'un risque supplémentaire de pertes délétères de N. Dans des conditions de faible disponibilité en N, les concentrations de N des plantes dans les tissus aériens ont montré une récupération de N supérieure à celle appliquée dans les traitements à faible teneur en N dans des conditions de disponibilité totale et limitée de l'eau. Cette récupération améliorée souligne la nécessité de mieux comprendre à la fois l’alimentation des plantes dans le sol et les processus régissant la disponibilité des ressources dans ces conditions. Enfin, la disponibilité limitée de l’eau a réduit l’absorption de N dans tous les traitements de N et a laissé 30 % plus de nitrate du sol (NO3−) en profondeur dans le profil du sol à la fin de la saison que sous une disponibilité totale de l’eau. Nos résultats montrent que les besoins des plantes en N ne sont pas liés de manière linéaire à l’utilisation de l’eau et soulignent la nécessité d’une compréhension intégrée des interactions entre l’eau et l’azote, de la recherche de ces ressources par les plantes et de la dynamique des processus qui rendent l’azote disponible aux plantes.

La diminution de la disponibilité de l’eau agricole combinée à l’augmentation de la demande alimentaire suggère un besoin crucial d’améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’eau agricole1. Il existe un besoin simultané d’optimiser les apports d’azote en raison des coûts élevés des engrais et des multiples impacts environnementaux négatifs, notamment la dégradation de la qualité de l’eau et les émissions de gaz à effet de serre2. Le maïs (Zea mays) est une culture d’importance mondiale qui est souvent limitée par l’approvisionnement en eau et en azote. Dans l’est du Colorado, le maïs est la culture irriguée dominante. Cependant, l’épuisement des eaux souterraines, la variabilité du manteau neigeux et la demande croissante en eau des zones urbaines et industrielles mettent à rude épreuve les réserves d’eau dans toute la région3,4,5,6. Étant donné que les défis liés à la gestion de l’eau et de l’azote sont souvent concomitants, les études qui prennent simultanément en compte ces facteurs sont très prometteuses pour améliorer l’efficacité de l’utilisation des ressources et réduire les impacts environnementaux.

Le moment de la disponibilité de l'eau affecte la productivité de l'eau des plantes (rendement des plantes par unité d'eau utilisée par la culture) car la reproduction des plantes est souvent plus sensible aux limitations en eau à des stades de croissance spécifiques, comme lors de la pollinisation et de la production de graines7,8,9,10. À l’inverse, les rendements en grains de maïs sont moins affectés lorsque des limitations hydriques surviennent pendant les stades végétatifs, en particulier à la fin de la phase végétative après l’établissement de la plante et lorsque la croissance initiale est assurée7, 8. Cependant, les limitations hydriques et leur timing affectent également le développement des pousses et du système racinaire. , ce qui peut à son tour affecter les besoins en azote des plantes.

Les besoins en azote des plantes sont incertains lorsque l'eau est limitée en raison des effets interactifs de l'eau et de l'azote sur la croissance des plantes, la demande en azote des plantes et leur absorption. Par exemple, les plantes cultivées dans des conditions d’eau limitées ont généralement une biomasse végétative plus faible, en particulier proportionnellement au système racinaire, car l’expansion cellulaire des pousses est plus sensible aux limitations hydriques que celle des racines11. Ce changement dans l’allocation racine:pousse peut à l’inverse réduire la demande en N des plantes tout en augmentant la recherche de ressources du sol. Dans le même temps, la capacité des racines à absorber l’azote dépend de la disponibilité de l’eau12, de sorte qu’une humidité plus faible du sol pourrait potentiellement entraver l’absorption de l’azote. Des efforts importants ont été déployés pour optimiser la gestion de l’azote du maïs limité en eau13,14,15,16,17 et déterminer la réduction de l’azote permettant d’atteindre une croissance et un rendement maximum dans des conditions de limitation de l’eau. Cependant, déterminer la réduction optimale de l’application d’azote pour le maïs sous limitation en eau n’est pas simple, car certaines études suggèrent qu’un apport supplémentaire d’azote pendant la limitation en eau peut augmenter le rendement en grains de maïs et l’efficacité de l’utilisation de l’eau14, 18,19,20.