Effects of sustainable agricultural practices on growth, yield and quality of potato and durum wheat grown under different cropping systems
Author(s)
Atait, Mariam
Date Issued
May 21, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The increasing world population and industrial revolution is putting agricultural growth and environmental protection at risk. The irrational use of natural resources, chemical agricultural inputs and expansion of agricultural land to produce more food for the increasing population has damaged the ecosystem to a greater extend. As a result, the agriculture industry is now unable to fulfil the needs of future generations due to decrease in natural resources and onset of climate change and global warming. Therefore, the sustainable production of food crops to ensure food safety and security is of high concern. The conventional excessive use of chemical fertilizers, fungicides, insecticides and herbicides has negatively affected the agroecological conditions due to which the emission of GHG’s increased and aggravated the phenomenon of climate change and global warming. in the recent years, the average temperature and rainfall patterns have changed. The onset of high and low temperatures and rainfall are causing heat waves, droughts, and floods all over the world. Moreover, the exhaustion of agricultural lands through conventional farming methods has resulted in depletion of soil nutrients, structure, and increase in contamination through heavy metal accumulation. All these biotic and abiotic stresses are causing decrease in quantity and quality of food crops, especially wheat and potato in the Mediterranean environment. Therefore, there is need to adapt the agricultural management practices that can help in producing high quality food crops without affecting the agro-climatic conditions and can help to meet the consumer demand of high-quality food crops. The study was designed to evaluate the effects of sustainable crop management methods on the growth, yield and quality of wheat and potato plants. The aim of the study was to identify the suitable sustainable crop management practices and introduce adaptive measures to combat climate change and global warming to enhance crop yield and quality in Mediterranean environment. The effect of conventional and reduced tillage practices and organic and mineral fertilization on weeds, yield, soil characteristics and quality of food crop under Wheat-Potato crop rotation cropping system was evaluated. The soil tillage practices adopted along the type of fertilization methods significantly affect the soil organic matter, microbial population, heavy metal accumulation and nutrient level. The changes in soil characteristics directly affect the crop performance. In addition, the environmental conditions
also affect the crop productivity, and the performance of the management practices adapted also affects the quantity and quality of crop yield. Hence, the crop production methods play a key role in combating global warming and sustainable crop production for present and future generations. The sustainable agriculture is the ability of a crop production system to produce food without depleting the natural resources. A cropping system that is socially, economically and environmentally viable is considered as a sustainable cropping system. The use of reduced tillage practices and organic fertilization instead of conventional tillage and mineral fertilization can an effective crop production method to increase soil fertility, crop yield and crop quality. The application of reduced tillage practices including subsoiling and spading can improve soil moisture level, microbial population, reduce erosion and soil compaction, carbon sequestration and also affects the weeds population that grow in competition with main crop. Whereas the use of organic fertilizers in place of mineral fertilization can help in maintain soil organic matter and increase soil water holding capacity. In addition to agronomic practices, the interaction between the genotype X environment also significantly affects the crop production in each environment. The ability of a genotype to withstand biotic and abiotic stresses affects the genotype performance, resulting in high or low yield and quality of the food crop. The varietal testing of durum wheat under different management practices to identify the best performing varieties under stress conditions is very important. The selection of low input and high-performance varieties can revolutionize the production rate of durum wheat in Mediterranean environment for the future generations. The quality of durum wheat along with yield is dependent on the environmental conditions. The changes in the temperature and precipitation rate affects the onset of diseases, plant growth, protein and starch accumulation, fibre content and yield of the wheat plant. correct and sustainable agronomic practice for the Mediterranean environment. Therefore, the selection of resistant varieties and suitable management practices to maximise crop yield and quality is very important for sustainable crop production.
L'aumento della popolazione mondiale e la rivoluzione industriale stanno mettendo a rischio la crescita agricola e la tutela ambientale. L'uso irrazionale delle risorse naturali, gli input chimici e l'espansione dei terreni agrari per produrre più cibo per la popolazione in crescita causano danni all'ecosistema in misura sempre maggiore. Di conseguenza, l'attività agricola potebbe non essere in grado di soddisfare i bisogni delle generazioni future a causa della diminuzione delle risorse naturali e dell'insorgenza dei cambiamenti climatici e del riscaldamento globale. Pertanto, la produzione sostenibile di colture alimentari per garantire la sicurezza alimentare è motivo di grande preoccupazione. L'uso eccessivo e convenzionale di concimi chimici, fungicidi, insetticidi ed erbicidi ha influito negativamente sulle condizioni agroecologiche, aumentando le emissioni di gas serra e aggravando il fenomeno dei cambiamenti climatici e del riscaldamento globale. Negli ultimi anni, la temperatura media e i modelli delle precipitazioni sono cambiati. L'insorgenza di alte e basse temperature e precipitazioni sta causando ondate di calore, siccità e alluvioni in tutto il mondo. Inoltre, l'esaurimento dei terreni agricoli attraverso metodi di coltivazione convenzionali ha portato all'impoverimento dei nutrienti e della struttura del suolo e all'aumento della contaminazione dovuta all'accumulo di metalli pesanti. Tutti questi stress biotici e abiotici stanno causando una diminuzione della quantità e della qualità delle colture alimentari, in particolare di grano e patata nell'ambiente mediterraneo. Pertanto, è necessario adattare le pratiche di gestione agricola che possano contribuire alla produzione di colture alimentari di alta qualità senza compromettere le condizioni agroclimatiche e contribuendo a soddisfare la domanda dei consumatori di colture alimentari di alta qualità. La ricerca è stata progettata per valutare gli effetti dei metodi di gestione agronomica sostenibili sulla crescita, la resa e la qualità di frumento e patata. L'obiettivo dello studio era identificare le pratiche colturali sostenibili più idonee e introdurre misure adattive per contrastare il cambiamento climatico e il riscaldamento globale, al fine di migliorare la resa e la qualità delle colture nell'ambiente mediterraneo. È stato valutato l'effetto delle pratiche di lavorazione convenzionali e ridotte e della fertilizzazione organica e minerale su erbe infestanti, resa, caratteristiche del suolo e qualità delle colture alimentari nell'ambito del sistema di rotazione colturale grano-patata. Le pratiche di lavorazione del terreno adottate, insieme al tipo di metodo di fertilizzazione, influenzano significativamente la sostanza organica del suolo, la popolazione microbica, l'accumulo di metalli pesanti e il livello di nutrienti. Le variazioni delle caratteristiche del suolo influiscono direttamente sulle prestazioni delle colture. Inoltre, le condizioni ambientali influenzano anche la produttività delle colture e le prestazioni delle
pratiche di gestione adattate influiscono anche sulla quantità e sulla qualità della resa delle colture. Pertanto, i metodi di produzione agricola svolgono un ruolo chiave nella lotta al riscaldamento globale e nella produzione agricola sostenibile per le generazioni presenti e future. L'agricoltura sostenibile è la capacità di un sistema di produzione agricola di produrre cibo senza esaurire le risorse naturali. Un sistema colturale socialmente, economicamente e ambientalmente sostenibile è considerato un sistema colturale sostenibile. L'uso di pratiche di lavorazione ridotta e di fertilizzazione organica al posto delle lavorazioni convenzionali e della fertilizzazione minerale può essere un metodo di produzione agricola efficace per aumentare la fertilità del suolo, la resa e la qualità delle colture. L'applicazione di pratiche di lavorazione ridotta, tra cui la ripuntatura e la vangatura, può migliorare il livello di umidità del suolo, la popolazione microbica, ridurre l'erosione e la compattazione del suolo, il sequestro del carbonio e influisce anche sulla popolazione di erbe infestanti che crescono in competizione con la coltura principale. Mentre l'uso di fertilizzanti organici al posto della fertilizzazione minerale può contribuire a mantenere la sostanza organica del suolo e ad aumentare la capacità del suolo di trattenere l'acqua. Oltre alle pratiche agronomiche, anche l'interazione tra il genotipo X e l'ambiente influenza significativamente la produzione agricola in ciascun ambiente. La capacità di un genotipo di resistere a stress biotici e abiotici influisce sulle prestazioni del genotipo, con conseguente resa e qualità elevate o basse della coltura alimentare. La valutazione varietale del frumento duro con diverse pratiche gestionali è fondamentale per identificare le varietà più performanti in condizioni di stress. La selezione di varietà a basso apporto e ad alta resa può rivoluzionare il tasso di produzione del frumento duro nell'ambiente mediterraneo per le generazioni future. La qualità del frumento duro, così come la resa, dipendono dalle condizioni ambientali. Le variazioni di temperatura e precipitazioni influenzano l'insorgenza di malattie, la crescita delle piante, l'accumulo di proteine e amido, il contenuto di fibre e la resa della pianta di grano. È fondamentale adottare pratiche agronomiche corrette e sostenibili per l'ambiente mediterraneo. Pertanto, la selezione di varietà resistenti e di pratiche gestionali idonee a massimizzare la resa e la qualità delle colture è fondamentale.
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Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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