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Jul 24, 2023

Scientific Data volumen 10, Número de artículo: 192 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

La prueba de nitrato de tallo de maíz (CSNT) de fines de temporada es una herramienta bien conocida para ayudar a evaluar el desempeño posterior al manejo del nitrógeno. El CSNT tiene la capacidad única de distinguir entre el estado de nitrógeno óptimo y excesivo del maíz, lo que lo hace útil para identificar la aplicación excesiva de N para que los agricultores puedan ajustar sus futuras decisiones de nitrógeno. Este documento presenta un conjunto de datos de varios años y ubicaciones múltiples de mediciones de prueba de nitrato de tallo de maíz de finales de temporada en el medio oeste de EE. UU. de 2006 a 2018. El conjunto de datos consta de 32,025 mediciones de nitrato de tallo de maíz de 10,675 campos de maíz. La forma de nitrógeno, la tasa de N total aplicada, el estado de EE. UU., el año de cosecha y las condiciones climáticas se incluyen para cada campo de maíz. Cuando esté disponible, también se informa sobre el cultivo anterior, la fuente de estiércol, la labranza y el momento de la aplicación de N. Proporcionamos una descripción detallada del conjunto de datos para que la comunidad científica pueda utilizarlo. Los datos se publican a través de un paquete R y también están disponibles en el repositorio Ag Data Commons de la Biblioteca Nacional de Agricultura del USDA y a través de un sitio web interactivo.

Después de los costos de las semillas, el nitrógeno (N) es el insumo más costoso en la producción de maíz de secano (maíz Zea L.) y es importante para mantener la productividad y la rentabilidad. Dado que los fertilizantes nitrogenados pueden tener un impacto negativo en el medio ambiente a través de pérdidas en ríos, lagos y la atmósfera, es crucial evitar aplicaciones excesivas.

La mayoría de las recomendaciones de fertilizantes de N actuales o modernas tienen como objetivo estimar la brecha entre el N proporcionado por el suelo y el N requerido por la planta1. Sin embargo, la gestión del N es un desafío, ya que se ve afectada por la incertidumbre en la predicción de los diversos componentes del presupuesto de N2,3. Además de las prácticas de manejo y la información de la temporada de crecimiento, para evaluar el manejo del nitrógeno, una conocida herramienta de diagnóstico, llamada Prueba de Nitrato de Tallo de Maíz (CSNT) al final de la temporada, puede ayudar a comprender el desempeño posterior del manejo del N.

El CSNT mide la concentración de nitrato-N (NO3-) en la porción de tallos de maíz de 20 a 36 cm (8 a 14 pulgadas) sobre el suelo, que se puede recolectar en cualquier momento desde aproximadamente el 25% de la etapa de crecimiento de la línea de leche hasta 3 semanas después de la formación de la capa negra4,5,6,7. El nitrato absorbido por una planta pero no requerido para producir grano se acumula en esta parte inferior del tallo que se encuentra sobre el suelo. Si la planta no puede absorber N debido a las condiciones de sequía en la temporada de crecimiento actual, los resultados de CSNT pueden indicar que la absorción de nitrógeno fue excesiva en relación con las necesidades de nutrientes de la planta (suministro de N frente a demanda de N del maíz). Por lo tanto, idealmente, el CSNT debería repetirse con el tiempo debido a la incertidumbre asociada con una sola temporada de crecimiento.

Los valores de concentración de nitrato en la parte inferior del tallo del maíz generalmente se clasifican en cuatro niveles de suficiencia de N para el crecimiento del maíz. Esas categorías se definieron en función de la relación entre el nitrato de tallo de maíz y el rendimiento relativo al rendimiento máximo previsto4,8. Se describen de la siguiente manera: (i) deficientes (<250 mg NO3--N kg-1 tallo seco), lo que indica que el N probablemente limitó el rendimiento, (ii) marginales (250-700 mg NO3--N kg-1 seco tallo), lo que indica que la disponibilidad de N estuvo muy cerca de la cantidad mínima necesaria para maximizar el rendimiento del grano, (iii) óptimo (700–2000 mg NO3--N kg-1 tallo seco), lo que indica una alta probabilidad de que la disponibilidad de N fue suficiente para maximizar el rendimiento del grano, y (iv) excesivo (>2000 mg NO3−-N kg−1 de tallo seco), lo que revela una alta probabilidad de que el suministro de N fuera mayor que el necesario para maximizar el rendimiento4,8. El CSNT tiene la capacidad única de distinguir entre el estado óptimo y excesivo de N del maíz9, lo que lo hace útil para identificar la aplicación excesiva de N para que los agricultores puedan ajustar sus futuras decisiones de nitrógeno1.

Aquí, presentamos un conjunto de datos basado en encuestas CSNT guiadas en el campo en el medio oeste de EE. UU. Los datos se recopilaron de 2006 a 2018 y formaron parte de diferentes proyectos financiados por USDA-Natural Resources Conservation Innovation Grants, por la Legislatura de Iowa a través del Programa de Manejo Integrado de Granjas y Ganadería del Departamento de Agricultura y Administración de Tierras de Iowa; por el Fondo de Defensa Ambiental; por Walton Family Foundation, por los distritos locales de conservación de suelo y agua de Iowa, por Indiana Soybean Alliance y el Consejo de Comercialización de Maíz de Indiana y ejecutado por la Iowa Soybean Association On-Farm Network, la Environmental Defense Fund's NutrientStar Field Testing Network (ahora llamada The Amplify Network, Ohio), Departamento de Agricultura del Estado de Indiana, Programa INField Advantage, Extensión de la Universidad de Purdue, distritos locales de conservación de suelo y agua de Indiana y grupos locales en Minnesota.

En total, se recopilaron mediciones de 10 675 campos de maíz en seis estados del Medio Oeste (Fig. 1). El conjunto de datos contiene 32.025 mediciones de nitrato de tallo de maíz. La forma de nitrógeno (comúnmente conocida como fuente de N10) y la tasa de N total aplicada, el estado de EE. UU., el año de cosecha y las condiciones climáticas se incluyen para cada sitio-año (ubicación de prueba por combinación de temporada de crecimiento). Cuando están disponibles, también se incluyen el cultivo anterior, la fuente de estiércol, la labranza y el momento de la aplicación de N. Parte del conjunto de datos se ha informado previamente en publicaciones revisadas por pares, pero no está disponible3,11,12,13,14. Los datos se publicaron en el repositorio Ag Data Commons de la Biblioteca Nacional de Agricultura del USDA en data.nal.usda.gov15. También proporcionamos un paquete R, llamado onfant.dataset16, para almacenar y actualizar fácilmente el conjunto de datos en el futuro agregando resultados de nuevas encuestas guiadas por campo. Además, desarrollamos una herramienta en línea para interactuar con el conjunto de datos y proporcionar resúmenes estadísticos descriptivos.

Número de encuestas guiadas de campo (es decir, campos) en todo el medio oeste de EE. UU. a nivel de condado donde se midieron los datos de nitrato en tallos de maíz.

Obtuvimos datos de cuatro fuentes diferentes que se prepararon como parte de una subvención NIFA conjunta del USDA entre la Asociación de Soya de Iowa y la Universidad Estatal de Iowa. El primero es un conjunto de datos recopilados entre 2007 y 2017 por la red en granjas de la Asociación de Soya de Iowa de 4211 campos ubicados en todos los condados de IA con un total de 12 633 mediciones CSNT. El segundo conjunto de datos fue creado para un artículo revisado por pares3 y compartido por los autores. Estos datos se recopilaron entre 2008 y 2014 en Michigan, Ohio, Indiana e Illinois. Contiene un total de 3208 mediciones CSNT de 803 campos. En Illinois, la mayoría de los campos de maíz provenían del mismo condado (Fig. 1). El tercer conjunto de datos incluye 21 219 mediciones CSNT recopiladas entre 2011 y 2018 en Indiana en 5306 campos. El cuarto conjunto de datos incluye 1065 datos CSNT recopilados entre 2010 y 2012 en Minnesota en 355 campos ubicados principalmente en la región central (Fig. 1).

Usando las coordenadas del sitio, recuperamos datos meteorológicos (es decir, temperatura, lluvia, grado día de crecimiento y radiación solar) del Reanálisis de Iowa Environmental Mesonet usando el paquete apsimx R17,18. Los datos meteorológicos están disponibles en el paquete R onfant.dataset y se han publicado en el depósito Ag Data Commons de la Biblioteca Nacional de Agricultura del USDA (USDA NAL ADC)15. Como las coordenadas no estaban disponibles para los campos en Indiana, usamos la información del municipio o del condado. Por motivos de privacidad, la latitud y la longitud del sitio no se informan en el conjunto de datos. Para las visualizaciones de mapas, agregamos ruido a las coordenadas. Eliminamos los campos que tenían al menos una muestra CSNT faltante o cuando no se informó la tasa de N total aplicada.

La tasa de N total de las diferentes formas principales de N aplicadas muestra patrones de distribución contrastantes entre estados y cultivos anteriores (Fig. 2). La tasa media de N total aplicada es más baja para la soja como cultivo anterior que para el maíz como cultivo anterior para la mayoría de las principales formas de N aplicadas y estados. El valor medio de las aplicaciones de estiércol (aquí, todos los tipos de estiércol combinados) tiende a ser más alto que los valores medios de los fertilizantes comerciales, NH3, UAN y urea, formas de N para un estado específico y un cultivo anterior (Fig. 2).

Distribución de la tasa de N total para la forma de fertilizante N más representativa aplicada por cultivo anterior y estado de EE. UU. El número de campos de maíz se muestra en la parte superior del gráfico de caja correspondiente. Solo se muestran los datos de los campos que tienen una tasa de N total <450 kg/ha (ver Validación técnica).

Los campos con maíz como cultivo anterior tuvieron un mayor porcentaje de categoría CSNT excesiva y un porcentaje menor de categoría CSNT deficiente que los campos con soja como cultivo anterior (Fig. 3).

Porcentaje de categorías CSNT por manejo de N (una combinación de tiempo de aplicación y forma de N) para maíz después de rotaciones de maíz (a) y maíz después de soja (b). La gestión de N con información faltante sobre el momento de la aplicación o el formulario N no están representados. El número de campos de maíz por manejo de N se muestra en la parte superior de la barra correspondiente. Solo se muestran los datos de los campos que tienen una tasa de N total <450 kg/ha (ver Validación técnica).

El porcentaje de categorías CSNT varió a lo largo del tiempo (fig. 4). En 2008 y 2009 el porcentaje de categoría deficiente superó el 50% para el maíz y la soja como cultivo anterior.

Porcentaje de categorías CSNT por año para maíz después de rotaciones de maíz (a) y maíz después de soja (b). El número de campos de maíz por año se muestra en la parte superior de la barra correspondiente. Solo se muestran los datos de los campos que tienen una tasa de N total <450 kg/ha (ver Validación técnica).

Los datos se publicaron en el repositorio Ag Data Commons de la Biblioteca Nacional de Agricultura del USDA (USDA NAL ADC)15 con un identificador de objeto digital asignado (conjunto de datos DOI: 10.15482/USDA.ADC/1527976). El conjunto de datos completo también está disponible como un paquete R onfant.dataset16 (ON-FArm Nitrogen Trials) que se puede obtener en GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset). Por lo tanto, el conjunto de datos se puede exportar posteriormente como csv, xlsx u otro formato tabular similar. El paquete R contiene cuatro subconjuntos del conjunto de datos completo: un subconjunto por fuente de conjunto de datos.

Los nombres, unidades y descripciones de las columnas se muestran en la Tabla 1.

"Field_ID" registra el identificador único de un campo de maíz con medidas CSNT.

"Sample_number" corresponde a una medida CSNT. Se tomaron tres muestras por "Field_ID" según los tipos de suelo primarios en el campo; por lo tanto, se espera el número 1, 2 o 3.

"Año" indica el año de la medición CSNT.

"Estado" informa el estado donde se encuentra el "Field_ID" correspondiente.

"Condado" informa el condado donde se encuentra el "Field_ID" correspondiente.

"County_centroid_latitude" y "County_centroid_longitude" indican la latitud y la longitud del centroide del condado, respectivamente, donde se tomaron las muestras dentro de un campo. Debido a la protección de la privacidad, no se comparten las coordenadas exactas; en consecuencia, recuperamos esas dos variables para la publicación del conjunto de datos.

"Previous_crop" es el cultivo producido antes del año de medición. Los principales cultivos anteriores son la soja y el maíz. Algunas categorías de cultivos anteriores menos frecuentes son heno, sorgo, trigo y patatas. Si la información original reportaba "Otro", mantuvimos la misma etiqueta para la entrada.

"Tipo de estiércol" se refiere al tipo de estiércol aplicado como fertilizante nitrogenado orgánico, como estiércol de aves, estiércol de cerdos o estiércol de res, por ejemplo. Si no se aplicó estiércol, el "Tipo_estiércol" se establece en "Sin estiércol".

"Aplicación_estiércol" indica si cada entrada recibió estiércol (etiquetada como "Sí") o no (etiquetada como "No"). En general, el 88% de las entradas están etiquetadas como "no".

"N_fertilizer_form" describió la principal forma de N aplicada con fertilizantes de N inorgánicos u orgánicos. Estos son urea, NH3 (amoníaco anhidro) o UAN (nitrato amónico de urea). Si la principal forma N aplicada es estiércol, entonces las entradas corresponden al "Tipo de estiércol". Si la información original reportaba "Otro", mantuvimos la misma etiqueta para la entrada.

"N_fertilizer_form_simplified" se crea a partir de "N_fertilizer_form", donde todos los tipos de estiércol están etiquetados como "Estiércol". Mantuvimos las etiquetas "UAN", "NH3" y "Urea", y todos los demás tipos de forma N están etiquetados como "Otros".

"N_application_timing" se refiere a la aplicación de tiempo N (p. ej., Primavera, Otoño, Vestimenta lateral (temporada temprana). Algunas etiquetas como "Verano" o "Invierno" aparecen una pequeña cantidad de veces.

"N_application _timing_simplified" se crea a partir de "N_application_timing" donde mantuvimos las etiquetas "Otoño", "Primavera" y "Vestido lateral". Otras entradas están etiquetadas como "Otro".

"N_management" es la combinación de "N_fertilizer_form" y "N_application_timing".

"N_management_simplified" es la concatenación de "N_fertilizer_form_simplified" y "N_application_timing_simplified".

"Tillage_use" indicó si cada entrada tenía labranza (etiquetada como "Sí") o no (etiquetada como "No")

"Total_N_rate_lbac" se refiere a la tasa total de N aplicada durante una temporada de cultivo de maíz de todas las formas y tiempos, incluida la principal "N_fertilizer_form". La unidad de tasa de N total es la libra por acre (lb/ac) como se informó originalmente.

"Total_N_rate_kgha" es una conversión de "Total_N_rate_lbac" a kilogramo por hectárea. Para el maíz, 1 lb/ac equivale a 1,12 kg/ha19.

"Stalk_nitrate_N" es el registro de datos principal en el conjunto de datos. Corresponde a la concentración de nitrato-N en ppm utilizando el CSNT.

"GM_ppm" se refiere a las medias geométricas del nitrato-N del tallo calculadas a partir de las tres muestras por campo.

"GM_4_category" expresa el estado de N del maíz en cuatro categorías de suficiencia de N (marginal, deficiente, óptima, excesiva) como se describe en la sección de antecedentes.

"GM_2_category" expresa el estado N del maíz en dos categorías de suficiencia N: suficiente (incluida la "categoría GM_4", marginal, óptima, excesiva) y deficiente en caso contrario.

Desarrollamos y lanzamos una herramienta web interactiva llamada ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) utilizando R Shiny20. ONFANT es accesible para cualquier usuario sin restricciones de permisos como la dirección IP. ONFANT utiliza una interfaz amigable que permite a los usuarios explorar el conjunto de datos teniendo acceso a pantallas descriptivas y resúmenes estadísticos. Los usuarios pueden interactuar con el conjunto de datos seleccionando variables y filtrando niveles de factores específicos. Por ejemplo, los usuarios pueden explorar datos relacionados con un estado específico, filtrar por cultivo anterior o elegir la unidad de nitrógeno total (kg/ha o lb/ac). Mostramos un mapa interactivo de ubicaciones de campos de maíz coloreados por tipo de forma de N, aplicación de estiércol, momento de aplicación de N, categoría CSNT y labranza. Debido a problemas de privacidad, las coordenadas exactas no son identificables en el nivel de zoom actual en el mapa.

También alentamos a los usuarios a usar las funciones de ayuda disponibles en el paquete R onfant.dataset para tener acceso a la descripción de variables específicas. En el futuro, el paquete R onfant.dataset y la herramienta web interactiva ONFANT (https://onfant.agron.iastate.edu/) podrían actualizarse con datos adicionales, nuevas funciones de visualización y resúmenes estadísticos.

Cada conjunto de datos fue examinado cuidadosamente varias veces por dos personas, y prestamos especial atención al valor de la tasa de N total proporcionada por un agricultor o consultor de cultivos. Realizamos un examen sistemático de las etiquetas de las variables y el recuento de valores para las variables categóricas para evitar errores ortográficos. También ejecutamos estadísticas básicas (p. ej., valores medios e intercuartílicos) para corregir la información mal escrita o verificamos los valores atípicos al validarlos en los conjuntos de datos originales. De ser posible, se contactó a los proveedores de datos si los detalles dentro de sus datos sin procesar no estaban claros. Para "Total_N_rate", trazamos la distribución de frecuencia y regresamos a los artículos originales para verificar los valores extremos. Inspeccionamos cuidadosamente la consistencia entre las variables de latitud y longitud y los nombres de los condados/estados.

Si bien se proporcionó la media geométrica de la CSNT para algunos conjuntos de datos, calculamos esta variable nuevamente utilizando los datos sin procesar (nitrato-N en ppm) de las tres muestras para homogeneizar el método de cálculo. Los campos se descartaron si faltaba al menos una muestra CSNT.

El conjunto de datos creado para el documento revisado por pares ya incluía datos agregados, pero volvimos a los archivos originales en caso de información poco clara u observaciones inconsistentes.

A pesar de tener acceso al clima para la mayoría de los campos, recuperamos nuevamente la información de lluvia mensual para tener una fuente de información uniforme para las variables correspondientes.

Si faltaba la tasa de N total aplicada, el campo se eliminaba y no se incluía en el conjunto de datos final.

De 10.675 campos de maíz, 80 tenían una tasa de N total superior a 450 kg/ha (400 lb/ac). Como en la mayoría de ellos se aplicó estiércol como forma principal de N, sospechamos que el valor informado es demasiado alto debido al uso de valores contables de estiércol inadecuados (contenido de N total en % por materia seca de estiércol) en lugar del análisis de nutrientes del estiércol. Por esa razón, solo mostramos datos para campos con una tasa de N total inferior a 450 kg/ha para las Figs. 2–4.

Una de las advertencias de nuestro conjunto de datos es que la información de manejo de cultivos no se informa de manera consistente para todos los campos. Las variables de gestión de campo se han simplificado para poder unir los conjuntos de datos. Además, como no se informaron los datos de rendimiento, no pudimos explorar la relación entre el rendimiento y la categoría CSNT o entre el rendimiento y la tasa de aplicación de nitrógeno. Finalmente, debido a que las coordenadas exactas del campo no se comparten, debido a la protección de la privacidad, el uso de nuestro conjunto de datos para modelos de crecimiento de cultivos como APSIM21 o DSSAT22 es limitado.

Es fácil acceder al conjunto de datos mediante Microsoft Excel u otro software como R23 o Python24.

El conjunto de datos completo se puede obtener de GitHub (https://github.com/AnabelleLaurent/onfant.dataset).

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Agradecemos al USDA-NIFA por financiar esta investigación. También agradecemos a todos los que contribuyeron a la generación de datos.

Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura subvención no. 2020-67021-32466 /acceso al proyecto no. 1023765 del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del USDA.

Departamento de Agronomía, Universidad Estatal de Iowa, Ames, IA, EE. UU.

Anabelle Laurent, Alex Cleveringa y Fernando E. Miguez

Centro de Investigación para la Innovación Agrícola, Asociación de Soya de Iowa, Ankeny, IA, EE. UU.

Suzanne Fey y Peter Kyveryga

Distrito de conservación de agua y suelo de East Otter Tail, Perham, MN, EE. UU.

Nathan Wiese y Darren Newville

Distrito de conservación de suelos y agua del condado de Stearns, Waite Park, MN, EE. UU.

Marcos Lefebvre

Departamento de Agronomía, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN, EE. UU.

Daniel Quinn

Servicios tecnológicos simplificados LLC, Edgerton, OH, EE. UU.

Juan McGuire

Departamento de Ciencias de las Plantas y Arquitectura del Paisaje, Universidad de Connecticut, Storrs, CT, EE. UU.

Haiying Tao y Thomas F. Morris

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AL, AC y SF recopilaron y limpiaron registros de datos. AL, AC y SF realizaron la validación técnica del conjunto de datos. AL y FM escribieron el primer borrador del manuscrito y realizaron la visualización. PK, HT, NW, ML, DN, DQ, JMG proporcionaron los datos. Adquisición de fondos por PK, TM y FM Todos los autores contribuyeron a la revisión del manuscrito, leyeron y aprobaron la versión enviada.

Correspondencia a Anabelle Laurent.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Laurent, A., Cleveringa, A., Fey, S. et al. Mediciones de nitrato de tallo de maíz al final de la temporada en el medio oeste de EE. UU. de 2006 a 2018. Sci Data 10, 192 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02071-9

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Recibido: 11 Octubre 2022

Aceptado: 14 de marzo de 2023

Publicado: 07 abril 2023

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

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