Environmental benefits of improved water and nitrogen management in irrigated sugar cane : a combined crop modelling and life cycle assessment approach

Abstract

The application of irrigation water and nitrogen (N) fertilizer in excess of crop demand reduces profitability and has multiple detrimental impacts on the environment. N dynamics in agroecosystems are extremely complex, and mechanistic crop models are most often required to quantify the impact of improved management practices on reducing fertilizer N losses. In this study, Life Cycle Assessment (LCA) methodology and mechanistic modelling was used to quantify the environmental benefits of improved management of water and fertilizer N by sugarcane farmers in a case study in Pongola, South Africa. A baseline scenario, representing farmer intuition-based irrigation scheduling management, and two additional scenarios in which water, and water and N were more rationally managed, were compared. Results show that improved water and N management can lead to a 20% reduction in non-renewable energy consumption per functional unit (FU), with sustained or even increased yields. Total GHG emissions can potentially be reduced by 25% through more efficient water and N management. Limiting the rates of fertilizer N applied, made possible by decreasing N leaching through improved irrigation scheduling, resulted in the highest reductions for both impact categories. While total water consumption was very similar between the scenarios, more efficient use of rainfall was achieved through accurate scheduling, reducing blue water requirements. Through the simultaneous consideration of multiple environmental impacts, combining mechanistic crop modelling and LCA shows potential to identify improved management practices as well as to establish environmental stewardship incentives.L'application d'eau d'irrigation et d'engrais azotés (N) en excès par rapport à la demande des cultures réduit la profitabilité et a de multiples impacts négatifs sur l'environnement. La dynamique de l'azote dans les agrosystèmes est extrèmement complexe, et des modèles de culture mécanistes sont souvent nécessaires pour quantifier l'impact de pratiques de gestion améliorées sur la réduction des pertes en azote. Cette étude utilise la méthodologie de l'Analyse du Cycle de Vie (ACV) combinée à la modélisation mécaniste pour quantifier les bénéfices environnementaux d'une gestion améliorée de l'eau et des fertilisants azotés par des producteurs de canne à sucre, dans une étude de cas à Pongola, Afrique du Sud. Un scénario de base représente les pratiques courantes et intuitives des producteurs en termes d'irrigation, et deux scénarios supplémentaires représentent des pratiques de gestion plus rationnelles de l'eau, et de l'eau et des engrais, respectivement. Les résultats montrent qu'une meilleure gestion de l'eau et de l'azote peut générer une réduction de 20% de la consommation en énergie non-renouvelable, avec des rendements maintenus voire améliorés. Les émissions totales de GES peuvent potentiellement être réduites de 25%. La réduction des applications d'engrais, rendue possible par le moindre lessivage de l'azote sous irrigation raisonnée, résulte en de fortes réductions de ces deux catégories d'impacts. La consommation totale en eau est similaire entre scénario de base et scénarios de meilleure gestion de l'eau; cependant l'utilisation de l'eau de pluie est plus efficiente avec les irrigations raisonnées, réduisant ainsi les besoins d'extraction de la ressource. Par la prise en compte simultanée d'impacts environnementaux multiples, la combinaison de l'ACV et de la modélisation mécaniste de culture montre un potentiel pour identifier les pratiques améliorées et pour développer un accompagnement en éco-conception de systèmes.