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Jul 24, 2023

Données scientifiques volume 10, Numéro d'article : 192 (2023) Citer cet article

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Le test de nitrate de tige de maïs (CSNT) de fin de saison est un outil bien connu pour aider à évaluer la performance après coup de la gestion de l'azote. Le CSNT a la capacité unique de faire la distinction entre le statut azoté optimal et excessif du maïs, ce qui le rend utile pour identifier la surapplication de N afin que les agriculteurs puissent ajuster leurs futures décisions en matière d'azote. Cet article présente un ensemble de données pluriannuelles et multi-emplacements de mesures de test de nitrate de tige de maïs en fin de saison dans le Midwest américain de 2006 à 2018. L'ensemble de données se compose de 32 025 mesures de nitrate de tige de maïs provenant de 10 675 champs de maïs. La forme d'azote, le taux d'azote total appliqué, l'état américain, l'année de récolte et les conditions climatiques sont inclus pour chaque champ de maïs. Lorsqu'elles sont disponibles, la culture précédente, la source de fumier, le travail du sol et le moment de l'application d'azote sont également renseignés. Nous fournissons une description détaillée du jeu de données pour le rendre utilisable par la communauté scientifique. Les données sont publiées via un package R et également disponibles dans le référentiel Ag Data Commons de la Bibliothèque agricole nationale de l'USDA et via un site Web interactif.

Après les coûts des semences, l'azote (N) est le coût d'intrant le plus important dans la production de maïs pluvial (Zea maize L.) et est important pour le maintien de la productivité et de la rentabilité. Comme les engrais azotés peuvent avoir un impact négatif sur l'environnement par des pertes dans les rivières, les lacs et l'atmosphère, il est crucial d'éviter des applications excessives.

La plupart des recommandations actuelles ou modernes sur les engrais azotés visent à estimer l'écart entre le N apporté par le sol et le N requis par la plante1. Cependant, la gestion de l'azote est difficile car elle est affectée par l'incertitude dans la prédiction des différentes composantes du bilan de l'azote2,3. En plus des pratiques de gestion et des informations sur la saison de croissance, pour évaluer la gestion de l'azote, un outil de diagnostic bien connu, appelé Corn Stalk Nitrate Test (CSNT), peut aider à comprendre la performance après coup de la gestion de l'azote.

Le CSNT mesure la concentration de nitrate-N (NO3−) dans la partie aérienne de 20 à 36 cm (8 à 14 pouces) des tiges de maïs, qui peut être collectée à tout moment à partir du stade de croissance de la ligne de lait d'environ 25% jusqu'à 3 semaines après la formation de la couche noire4,5,6,7. Le nitrate absorbé par une plante mais non requis pour produire du grain s'accumule dans cette partie aérienne inférieure de la tige. Si la plante est incapable d'absorber N en raison des conditions de sécheresse de la saison de croissance en cours, les résultats du CSNT peuvent indiquer que l'absorption d'azote était excessive par rapport aux besoins en éléments nutritifs de la plante (offre de N par rapport à la demande de N du maïs). Ainsi, idéalement, le CSNT devrait être répété dans le temps en raison de l'incertitude associée à une seule saison de croissance.

Les valeurs de concentration de nitrate dans la partie inférieure de la tige de maïs sont généralement classées en quatre niveaux de suffisance de N pour la croissance du maïs. Ces catégories ont été définies en fonction de la relation entre le nitrate de tige de maïs et le rendement relatif par rapport au rendement maximal prévu4,8. Elles sont décrites comme suit : (i) déficientes (<250 mg NO3−-N kg−1 tige sèche), ce qui indique que N était probablement limitant le rendement, (ii) marginales (250–700 mg NO3−N kg−1 tige sèche tige), ce qui indique que la disponibilité de N était très proche de la quantité minimale nécessaire pour maximiser le rendement en grains, (iii) optimale (700–2000 mg NO3−-N kg−1 tige sèche), ce qui indique une forte probabilité que la disponibilité de N était suffisante pour maximiser le rendement en grain, et (iv) excessive (>2000 mg NO3−-N kg−1 tige sèche), ce qui révèle une forte probabilité que l'apport de N était plus élevé que nécessaire pour maximiser le rendement4,8. Le CSNT a la capacité unique de faire la distinction entre le statut azoté optimal et excessif du maïs9, ce qui le rend utile pour identifier la surapplication de N afin que les agriculteurs puissent ajuster leurs futures décisions concernant l'azote1.

Ici, nous introduisons un ensemble de données basé sur des enquêtes CSNT guidées sur le terrain dans le Midwest américain. Les données ont été collectées de 2006 à 2018 et faisaient partie de différents projets financés par l'USDA-Natural Resources Conservation Innovation Grants, par la législature de l'Iowa par le biais du programme de gestion intégrée des exploitations agricoles et du bétail du Département de l'agriculture et de l'intendance des terres de l'Iowa ; par le Fonds de défense de l'environnement ; par la Walton Family Foundation, par les districts locaux de conservation des sols et de l'eau de l'Iowa, par l'Indiana Soybean Alliance et l'Indiana Corn Marketing Council et exécuté par l'Iowa Soybean Association On-Farm Network, le NutrientStar Field Testing Network de l'Environmental Defense Fund (maintenant appelé The Amplify Network, Ohio), Département de l'agriculture de l'État de l'Indiana, Programme INField Advantage, Purdue University Extension, districts locaux de conservation des sols et de l'eau de l'Indiana et groupes locaux du Minnesota.

Au total, les mesures de 10 675 champs de maïs ont été recueillies dans six États du Midwest (Fig. 1). L'ensemble de données contient 32 025 mesures de nitrate de tige de maïs. La forme d'azote (communément appelée source de N10) et le taux de N total appliqué, l'état américain, l'année de récolte et les conditions climatiques sont inclus pour chaque site-année (emplacement d'essai par combinaison de saisons de croissance). Lorsqu'elles sont disponibles, la culture précédente, la source de fumier, le travail du sol et le moment de l'application d'azote sont également inclus. Une partie de l'ensemble de données a déjà été rapportée dans des publications évaluées par des pairs, mais n'a pas été rendue disponible3,11,12,13,14. Les données ont été publiées dans le référentiel Ag Data Commons de la Bibliothèque nationale de l'agriculture de l'USDA à l'adresse data.nal.usda.gov15. Nous fournissons également un package R, appelé onfant.dataset16, pour stocker et mettre à jour facilement l'ensemble de données à l'avenir en ajoutant les résultats de nouvelles enquêtes guidées sur le terrain. De plus, nous avons développé un outil en ligne pour interagir avec l'ensemble de données et fournir des résumés statistiques descriptifs.

Nombre d'enquêtes guidées sur le terrain (c.-à-d. champs) dans le Midwest américain au niveau du comté où les données sur le nitrate de la tige de maïs ont été mesurées.

Nous avons obtenu des données de quatre sources différentes qui ont été préparées dans le cadre d'une subvention conjointe USDA NIFA entre l'Iowa Soybean Association et l'Iowa State University. Le premier est un ensemble de données collectées de 2007 à 2017 par le réseau à la ferme de l'Iowa Soybean Association à partir de 4 211 champs situés dans tous les comtés de l'IA avec un total de 12 633 mesures CSNT. Le deuxième ensemble de données a été créé pour un article évalué par des pairs3 et partagé par les auteurs. Ces données ont été recueillies de 2008 à 2014 dans le Michigan, l'Ohio, l'Indiana et l'Illinois. Il contient un total de 3 208 mesures CSNT provenant de 803 champs. Dans l'Illinois, la plupart des champs de maïs provenaient du même comté (Fig. 1). Le troisième ensemble de données comprend 21 219 mesures CSNT collectées de 2011 à 2018 dans l'Indiana dans 5 306 champs. Le quatrième ensemble de données comprend 1 065 données CSNT collectées de 2010 à 2012 au Minnesota dans 355 champs situés principalement dans la région centrale (Fig. 1).

À l'aide des coordonnées du site, nous avons récupéré les données météorologiques (c'est-à-dire la température, les précipitations, le degré jour de croissance et le rayonnement solaire) de l'Iowa Environmental Mesonet Reanalysis à l'aide du package apsimx R17,18. Les données météorologiques sont disponibles dans le package R onfant.dataset et ont été publiées dans le référentiel USDA National Agriculture Library Ag Data Commons (USDA NAL ADC)15. Comme les coordonnées n'étaient pas disponibles pour les champs de l'Indiana, nous avons utilisé les informations du canton ou du comté. Pour des raisons de confidentialité, la latitude et la longitude du site ne sont pas signalées dans l'ensemble de données. Pour les affichages cartographiques, nous avons ajouté du bruit aux coordonnées. Nous avons éliminé les champs ayant au moins un échantillon CSNT manquant ou lorsque le taux de N total appliqué n'a pas été déclaré.

Le taux de N total des différentes formes principales de N appliqué montre des schémas de distribution contrastés entre les États et les cultures précédentes (Fig. 2). Le taux médian d'azote total appliqué est plus faible pour le soja en tant que culture précédente que pour le maïs en tant que culture précédente pour la plupart des principaux états et formes d'azote appliqués. La valeur médiane des applications de fumier (ici, tous les types de fumier combinés) a tendance à être supérieure aux valeurs médianes des engrais commerciaux, NH3, UAN et urée, formes N pour un état spécifique et une culture précédente (Fig. 2).

Répartition du taux d'azote total pour la forme d'engrais azoté la plus représentative appliquée par culture précédente et par État américain. Le nombre de champs de maïs est affiché en haut de la boîte à moustaches correspondante. Seules les données des champs ayant un taux de N total <450 kg/ha sont affichées (voir Validation Technique).

Les champs avec du maïs comme culture précédente avaient un pourcentage plus élevé de catégorie CSNT excessive et un pourcentage plus faible de catégorie CSNT déficiente que le soja comme culture précédente (Fig. 3).

Pourcentage de catégories CSNT par gestion de l'azote (une combinaison du moment de l'application et de la forme de l'azote) pour le maïs après le maïs (a) et le maïs après les rotations de soja (b). La gestion N avec des informations manquantes sur le moment de l'application ou le formulaire N n'est pas représentée. Le nombre de champs de maïs par gestion N est affiché en haut de la barre correspondante. Seules les données des champs ayant un taux de N total <450 kg/ha sont affichées (voir Validation Technique).

Le pourcentage de catégories CSNT a varié dans le temps (Fig. 4). En 2008 et 2009, le pourcentage de la catégorie déficiente était supérieur à 50 % pour le maïs et le soja comme culture précédente.

Pourcentage de catégories CSNT par an pour les rotations maïs après maïs (a) et maïs après soja (b). Le nombre de champs de maïs par an est affiché en haut de la barre correspondante. Seules les données des parcelles ayant un taux d'azote total < 450 kg/ha sont affichées (voir Validation Technique).

Les données ont été publiées dans le référentiel USDA National Agriculture Library Ag Data Commons (USDA NAL ADC)15 avec un identifiant d'objet numérique attribué (ensemble de données DOI : 10.15482/USDA.ADC/1527976). L'ensemble de données complet est également disponible sous forme de package R onfant.dataset16 (ON-FArm Nitrogen Trials) qui peut être obtenu auprès de GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset). Ainsi, l'ensemble de données peut ensuite être exporté au format csv, xlsx ou autre format tabulaire similaire. Le package R contient quatre sous-ensembles de l'ensemble de données : un sous-ensemble par source d'ensemble de données.

Les noms, unités et descriptions des colonnes sont présentés dans le tableau 1.

"Field_ID" enregistre l'identifiant unique d'un champ de maïs avec des mesures CSNT.

"Sample_number" correspond à une mesure CSNT. Trois échantillons ont été prélevés par "Field_ID" en fonction des principaux types de sol sur le terrain ; ainsi, les chiffres 1, 2 ou 3 sont attendus.

"Année" indique l'année de la mesure CSNT.

"State" signale l'état où se trouvait le "Field_ID" correspondant.

"Comté" signale le comté où se trouvait le "Field_ID" correspondant.

"County_centroid_latitude" et "County_centroid_longitude" indiquent respectivement la latitude et la longitude du centre de gravité du comté où les échantillons ont été prélevés dans un champ. En raison de la protection de la vie privée, les coordonnées exactes ne sont pas partagées ; par conséquent, nous avons récupéré ces deux variables pour la publication du jeu de données.

"Previous_crop" est la culture produite avant l'année de mesure. Les principales cultures antérieures sont le soja et le maïs. Certaines catégories de cultures antérieures moins fréquentes sont le foin, le sorgho, le blé et les pommes de terre. Si l'information d'origine indiquait "Autre", nous avons conservé le même libellé pour l'entrée.

"Fumier_type" fait référence au type de fumier appliqué comme engrais azoté organique tel que le fumier de volaille, le fumier de porc ou le fumier de bœuf, par exemple. Si aucun fumier n'a été épandu, le « type_de fumier » est défini sur « Pas de fumier ».

"Fumier_application" indique si chaque entrée a reçu du fumier (étiqueté "Oui") ou non (étiqueté "Non"). Dans l'ensemble, 88 % des entrées sont étiquetées "non".

"N_fertilizer_form" décrit la principale forme de N appliquée avec des engrais azotés inorganiques ou organiques. Il s'agit de l'urée, du NH3 (ammoniac anhydre) ou de l'UAN (Urea Ammonium Nitrate). Si la principale forme N appliquée est du fumier, alors les entrées correspondent au "Fumier_type". Si l'information d'origine indiquait "Autre", nous avons conservé le même libellé pour l'entrée.

"N_fertilizer_form_simplified" est créé à partir de "N_fertilizer_form" où tous les types de fumier sont étiquetés comme "Fumier". Nous avons conservé les étiquettes "UAN", "NH3" et "Urea", et tous les autres types de forme N sont étiquetés comme "Autre".

« N_application_timing » fait référence à l'application de la période N (par exemple, printemps, automne, side-dress (début de saison). Certaines étiquettes telles que « Été » ou « Hiver » apparaissent un petit nombre de fois.

"N_application_timing_simplified" est créé à partir de "N_application_timing" où nous avons conservé les labels "Fall", "Spring" et "Side-dress". Les autres entrées sont étiquetées "Autre".

"N_management" est la combinaison de "N_fertilizer_form" et "N_application_timing".

"N_management_simplified" est la concaténation de "N_fertilizer_form_simplified" et "N_application_timing_simplified".

"Tillage_use" indiquait si chaque entrée avait un travail du sol (étiqueté "Oui") ou non (étiqueté "Non")

"Total_N_rate_lbac" fait référence au taux de N total appliqué pendant une saison de croissance du maïs à partir de toutes les formes et de tous les moments, y compris le principal "N_fertilizer_form". L'unité de taux d'azote total est la livre par acre (lb/ac) telle qu'indiquée à l'origine.

"Total_N_rate_kgha" est une conversion du "Total_N_rate_lbac" en kilogramme par hectare. Pour le maïs, 1 lb/acre équivaut à 1,12 kg/ha19.

"Stalk_nitrate_N" est le principal enregistrement de données dans l'ensemble de données. Elle correspond à la concentration de nitrate-N en ppm en utilisant le CSNT.

"GM_ppm" fait référence aux moyennes géométriques du nitrate de tige-N calculées à partir des trois échantillons par champ.

"GM_4_category" exprime le statut N du maïs en quatre catégories de suffisance N (marginale, déficiente, optimale, excessive) comme décrit dans la section contexte.

« GM_2_category » exprime le statut N du maïs en deux catégories de suffisance en N : suffisante (dont la « GM_4_category » marginale, optimale, excessive) et autrement déficiente.

Nous avons développé et lancé un outil Web interactif appelé ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) en utilisant R Shiny20. ONFANT est accessible à tout utilisateur sans restriction d'autorisation telle que l'adresse IP. ONFANT utilise une interface conviviale permettant aux utilisateurs d'explorer l'ensemble de données en ayant accès à des affichages descriptifs et à des résumés statistiques. Les utilisateurs peuvent interagir avec l'ensemble de données en sélectionnant des variables et en filtrant des niveaux de facteurs spécifiques. Par exemple, les utilisateurs peuvent explorer les données liées à un état spécifique, filtrer par culture précédente ou choisir l'unité d'azote total (kg/ha ou lb/ac). Nous avons affiché une carte interactive des emplacements des champs de maïs colorés par type de forme N, application de fumier, moment de l'application N, catégorie CSNT et travail du sol. Pour des raisons de confidentialité, les coordonnées exactes ne sont pas identifiables au niveau de zoom actuel sur la carte.

Nous encourageons également les utilisateurs à utiliser les fonctions d'aide disponibles dans le package R onfant.dataset pour avoir accès à la description de variables spécifiques. À l'avenir, le package R onfant.dataset et l'outil Web interactif ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) pourraient être mis à jour avec des données supplémentaires, de nouvelles fonctionnalités de visualisation et des résumés statistiques.

Chaque ensemble de données a été soigneusement examiné plusieurs fois par deux personnes, et nous avons porté une attention particulière à la valeur du taux d'azote total fourni par un agriculteur ou un consultant en cultures. Nous avons effectué un examen systématique des étiquettes des variables et des décomptes de valeurs pour les variables catégorielles afin d'éviter les fautes d'orthographe. Nous avons également exécuté des statistiques de base (par exemple, des valeurs moyennes et interquartiles) pour corriger les informations erronées ou vérifié les valeurs aberrantes en les validant dans les ensembles de données d'origine. Si possible, les fournisseurs de données ont été contactés si les détails de leurs données brutes n'étaient pas clairs. Pour "Total_N_rate", nous avons tracé la distribution de fréquence et sommes revenus aux articles originaux pour vérifier les valeurs extrêmes. Nous avons soigneusement inspecté la cohérence entre les variables de latitude et de longitude et les noms de comté/état.

Bien que la moyenne géométrique du CSNT ait été fournie pour certains ensembles de données, nous avons recalculé cette variable en utilisant les données brutes (nitrate-N en ppm) des trois échantillons pour homogénéiser la méthode de calcul. Les champs ont été rejetés s'ils avaient au moins un échantillon CSNT manquant.

L'ensemble de données créé pour l'article évalué par des pairs comprenait déjà des données agrégées, mais nous sommes revenus aux fichiers d'origine en cas d'informations peu claires ou d'observations incohérentes.

Bien que nous ayons accès aux conditions météorologiques pour la plupart des champs, nous avons à nouveau récupéré les informations mensuelles sur les précipitations afin d'avoir une source d'informations uniforme pour les variables correspondantes.

Si le taux de N total appliqué manquait, le champ était supprimé et non inclus dans l'ensemble de données final.

Sur 10 675 champs de maïs, 80 avaient un taux de N total supérieur à 450 kg/ha (400 lb/ac). Comme la plupart d'entre eux avaient du fumier comme principale forme d'azote appliqué, nous soupçonnons que la valeur indiquée est trop élevée en raison de l'utilisation de valeurs inappropriées du livre du fumier (teneur en N total en % par matière sèche du fumier) plutôt que de l'analyse des éléments nutritifs du fumier. Pour cette raison, nous affichons uniquement les données pour les champs avec un taux de N total inférieur à 450 kg/ha pour les Fig. 2–4.

L'une des mises en garde de notre ensemble de données est que les informations sur la gestion des cultures ne sont pas systématiquement informées pour tous les champs. Les variables de gestion des champs ont été simplifiées pour pouvoir joindre les jeux de données ensemble. De plus, comme les données de rendement n'ont pas été rapportées, nous n'avons pas été en mesure d'explorer la relation entre le rendement et la catégorie CSNT ou entre le rendement et le taux d'application d'azote. Enfin, comme les coordonnées exactes du champ ne sont pas partagées, en raison de la protection de la vie privée, l'utilisation de notre ensemble de données pour les modèles de croissance des cultures tels que APSIM21 ou DSSAT22 est limitée.

L'ensemble de données est facilement accessible par Microsoft Excel ou d'autres logiciels comme R23 ou Python24.

L'ensemble de données complet peut être obtenu auprès de GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset).

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Nous remercions l'USDA-NIFA pour le financement de cette recherche. Nous remercions également tous ceux qui ont contribué à la génération de données.

Financement Open Access activé et organisé par l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture subvention no. 2020-67021-32466 /numéro d'accession du projet. 1023765 de l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture de l'USDA.

Département d'agronomie, Iowa State University, Ames, IA, États-Unis

Anabelle Laurent, Alex Cleveringa & Fernando E. Miguez

Centre de recherche pour l'innovation agricole, Iowa Soybean Association, Ankeny, IA, États-Unis

Suzanne Fey et Peter Kyveryga

East Otter Tail District de conservation des sols et de l'eau, Perham, MN, États-Unis

Nathan Wiese et Darren Newville

District de conservation des sols et de l'eau du comté de Stearns, Waite Park, MN, États-Unis

Marc Lefebvre

Département d'agronomie, Université Purdue, West Lafayette, IN, États-Unis

Daniel Quinn

Simplified Technology Services LLC, Edgerton, OH, États-Unis

John McGuire

Département des sciences végétales et de l'architecture paysagère, Université du Connecticut, Storrs, CT, États-Unis

Haiying Tao et Thomas F. Morris

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AL, AC et SF ont compilé et nettoyé les enregistrements de données. AL, AC et SF ont effectué la validation technique de l'ensemble de données. AL et FM ont rédigé la première ébauche du manuscrit et effectué la visualisation. PK, HT, NW, ML, DN, DQ, JMG ont fourni les données. Acquisition de financement par PK, TM et FM Tous les auteurs ont contribué à la révision du manuscrit, lu et approuvé la version soumise.

Correspondance à Anabelle Laurent.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Laurent, A., Cleveringa, A., Fey, S. et al. Mesures de nitrate de tige de maïs en fin de saison dans le Midwest américain de 2006 à 2018. Sci Data 10, 192 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02071-9

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Reçu : 11 octobre 2022

Accepté : 14 mars 2023

Publié: 07 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41597-023-02071-9

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