Sustainable intensification of agriculture using crop-water modelling : the Argentine Gran Chaco case

Agricultural demand has been shifting from local staples to global commodities, leading to changes in main rural landscapes, where deforestation, loss of diversity, resource depletion and soil degradation are common. An example is the Argentine Gran Chaco (AGC), a major dry forest that lost 16% of its cover (4.83 Mha) in just 15 years, where a half is related to new croplands (mainly soybeans) under rainfed conditions. When combined to monocropping and no-tilling practices (poor rotation), the side effects include excessive runoff, overcharge of local aquifers, unmanaged water excesses and increasing flood risk. These effects are accentuated as the AGC is affected by climate variability related to oceanic phenomena—like El Niño (ENSO)—alternating years of copious rainfalls with dry ones. The aim of this study is to assess if crops redistribution could help to mitigate risks from these dynamics; and if seasonal forecasts can provide an added-value in the process. Here, a simulation of the water balance in the root zone was combined with local crop, weather and soil data to identify the relation between supplied, required, and consumed water under current (estimated 68.5±45%, 59.7±3% and 46.7±12% km3.yr-1, respectively) and optimized distributions, among other variables. It was shown that adopting a balanced crop replacement strategy can reduce potential irrigation needs (i.e., deficits) by a 26%, while excessive flows related to runoff and water table rise (i.e., surpluses) by a 17%. This reallocation will also reduce the water-related yield gap (-11%), increase the water use efficiency (+40%) and economical yield of rain supply (+19%), without affecting crop diversity (+5%), field intensification (+6%), total crop water requirement (-5%) neither grain output or revenue. Even if links between ENSO and rainfalls are not straightforward, the adoption of scenario-based optimization—considering dry and humid years for each area—can provide additional improvements of 10% for deficit and 52% for surplus, respectively. This multidimensional framework constitutes a tool to ensure the resilience of food systems in front of climate change, weather extremes, and market risks.

Nell’ultimo secolo la domanda agricola si è spostata dalle materie prime locali alle ‘commodities’ globali, comportando grossi cambiamenti nei principali paesaggi rurali, in cui la deforestazione, la perdita di diversità, l'esaurimento delle risorse e il degrado del suolo sono diventati caratteristiche comuni. Non diverso è stato il destino del Gran Chaco argentino (AGC), una grande foresta secca che ha perso il 16% della sua copertura (4,83 mln.ha) in soli 15 anni; la metà di questa perdita è legata a nuove coltivazioni senza irrigazione (principalmente soia). Se combinati con pratiche di mono-coltura e scarsa rotazione dei campi, gli effetti collaterali di questo cambiamento includono il deflusso eccessivo, il sovraccarico di falde acquifere locali, l'eccesso di acqua non gestita e l'aumento del rischio di alluvione. Questi effetti sono accentuati dal fatto che l'AGC è interessato dalla variabilità climatica legata ai fenomeni di tipo oceanico, come El Niño (ENSO), che alterna annate di copiose precipitazioni con annate secche. Lo scopo di questo studio è valutare se la ridistribuzione delle colture potrebbe aiutare a mitigare i rischi derivanti da queste dinamiche e se, in tal senso, possono aiutare le previsioni stagionali. In questo lavoro, è stata combinata una simulazione del bilancio idrico nella zona radicale con i dati relativi alle colture locali, alle condizioni meteorologiche e al suolo per identificare la relazione tra, da un lato, acqua fornita, necessaria e consumata attualmente (stimata 68,5±45%, 59,7±3% e 46,7±12% km3.yr-1, rispettivamente) e, dall’altro, le distribuzioni ottimizzate. È stato dimostrato che l'adozione di una strategia adeguata di sostituzione delle colture può ridurre di un 26% il potenziale fabbisogno irriguo (cioè il ‘water deficit’) e del 17% i flussi eccessivi legati al deflusso e all'aumento delle falde acquifere (cioè il ‘water surplus’). Questa riallocazione ridurrà anche il ‘gap’ di resa legato all'acqua (-11%), aumenterà l'efficienza dell'uso dell'acqua (+40%) e il rendimento economico dell’acqua precipitata (+19%), senza però incidere sulla diversità delle colture (+5%), sull’intensificazione (+ 6%), sul fabbisogno totale di acqua delle colture (-5%), né sulla produzione di grano né reddito. Anche se i collegamenti tra ENSO e precipitazioni non sono diretti, l'adozione dell'ottimizzazione basata sugli scenari—considerando annate secche e umide per ciascuna area—può fornire ulteriori miglioramenti del 10% per il deficit e del 52% per il surplus, rispettivamente. Questo ‘framework’ multidimensionale costituisce uno strumento per garantire la resilienza dei sistemi alimentari di fronte a cambiamenti climatici, condizioni meteorologiche estreme e rischi di mercato.