Evaluation and improvement of N fertilization strategies in the wheat/maize double-cropping system of the North China Plain

Hartmann, Tobias Edward

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Hartmann, Tobias Edward

Evaluation and improvement of N fertilization strategies in the wheat/maize double-cropping system of the North China Plain

Bewertung und Optimierung der Stickstoff-Düngestrategien in der Weizen/Mais Doppelfruchtfolge der Nordchinesischen Tiefebene

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-10726
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2015/1072/

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SWD-Schlagwörter:

Stickstoff , Düngung , Getreide , Harnstoff , Weizen , Mais , Agronomie

Freie Schlagwörter (Deutsch):

Stickstoffnutzungseffizienz

Freie Schlagwörter (Englisch):

Nitrogen , Fertilization , Cereal , Urea , Nitrogen Use Efficiency

Institut:

Institut für Kulturpflanzenwissenschaften

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Müller, Torsten Prof. Dr.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

24.06.2014

Erstellungsjahr:

2015

Publikationsdatum:

05.05.2015

Lizenz:

Dieser Inhalt ist unter einer Creative Commons-Lizenz lizenziert.

Kurzfassung auf Englisch:

The North China Plain (NCP) is the main production area of cereal crops in China. The intensification of agricultural systems and the increased use of chemical N fertilizers are contributing to environmental pollution.
One of the objectives of this thesis was to apply an Nmin based approach for the calculation of N application rates to a previously over-fertilized farmers field of the NCP and to evaluate the potential of reducing N inputs while maintaining the grain yield of a summer-maize/winter-wheat double-cropping system; and to evaluate fertilizer strategies, aiming to reduce N inputs and loss.
Using an Nmin based approach for the calculation of fertilizer application rates, a reduction of fertilizer input by up to 50% compared to farmers practice (550 kg N ha-1 a-1) is possible without negatively affecting the grain yield of a wheat / maize double cropping system.
The extreme re-supply of N during the summer-vegetation periods of maize in the first two experimental seasons resulted in high yields of the control treatment (CK: 2009: 5.7 and 2010: 5.9 Mg ha-1), which did not significantly differ from the fertilized treatments. This resulted in a reduced recovery efficiency of N (REN: 0.09 kg kg-1 – 0.30 kg kg-1). According to the results of this field experiment there was no agronomic justification for the application of fertilizer N. The grain yield of maize of the control treatment finally decreased in the third vegetation period of summer-maize. While maintaining the yield level, the optimized application of N increased REN (0.37 – 0.58 kg kg-1) significantly compared to farmers practice (0.21 kg kg-1) in this final vegetation period of maize. Wheat, in contrast to maize, is dependent on the application of fertilizer N for yield formation. In both vegetation periods of wheat, REN of the reduced treatments (0.34 – 1.0 kg kg-1) was significantly higher compared to FP (0.26 and 0.27 kg kg-1). The highest cumulated (5 vegetation periods) agronomic efficiency of N, as well as cumulated grain yield of the wheat/maize double-cropping system was observed when ammoniumsulphate-nitrate was applied in combination with the nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazolephosphate (ASNDMPP: AEN: 19 kg kg-1, yield: 35 Mg ha-1) and according to crop N demand and residual soil mineral N. The highest REN was observed when urea ammonium nitrate was applied in a shallow, banded depot (UANDEP: 40 kg kg-1).
The results of this field experiment further show that the N surplus (fertilized N - grain N) as well as the N balance (N Input - N output) after harvest are significantly lower when an optimized approach to fertilizer application is followed. The over-application of N for an optimized application of urea or ASNDMPP (Surplus: -25kg to 98 kg N ha-1; Balance: -36 to 102 kg N ha-1) was significantly reduced compared to current farmers practice (Surplus: 156kg to 187 kg N ha-1; Balance: 56 to 262 kg N ha-1). This leads to lower residual N in the soil horizon from 0 - 90 cm in the reduced treatments (113 kg N ha-1 at end of experiment) compared to FP (293 kg N ha-1).
The results of this experiment indicate that N contained in the residues of maize is available only to the subsequent summer-crop and may sufficiently supply N for the yield formation of maize. Should the over-application of N be effectively reduced in the cropping systems of the NCP it is therefore necessary to take the N mineralization potential of soils into account.
Based on the results of this field experiment and others, a crop-soil interface model (HERMES) was calibrated and validated to the conditions of the NCP.
Finally, this research observed the effect of wheat straw and the urease inhibitor (UI) N-(n-buthyl) thiophosphoric triamide (nBPT) on the turnover of urea, as well as the loss of ammonia and nitrous oxide from an alkaline soil of the NCP.
UI inhibit or reduce the appearance of ammonia after the application of urea and almost completely prevent the loss of N as ammonia (urea: 12 – 14% loss). nBPT effectively reduces the rate of urea hydrolysis but does not down-regulate the process enough to completely inhibit nitrification, thereby maintaining the availability of N from urea for plants. Further, the addition of wheat straw prolongs the appearance of ammonium after the application of urea while the appearance of nitrate is reduced. Wheat straw may therefore either act as a stimulant of hydrolysis or as an inhibitor of nitrification. The addition of urea increases soil respiration and the emission of N2O drastically, possibly acting as a C and N source for microbial organisms and causing a priming effect on microbial activity in soils. This effect was increased further when wheat straw as well as urea were added to soil. nBPT, in contrast, prevents a significant increase in CO2-respiration and N2O-emission. The urease inhibitor may therefore generally restrict microbial activity or shift nitrification/denitrification processes towards the emission of N2.

Kurzfassung auf Deutsch:

Die Nordchinesische Tiefebene (NCP) ist Chinas Hauptanbaugebaut für Getreide. Die Intensivierung der Landwirtschaft und der steigende Einsatz chemischer Düngemittel tragen wesentlich zur Umweltverschmutzung in China bei.
Ein Ziel dieser Arbeit war es, ein Nmin-basiertes System zur Ermittlung des Düngebedarfs in einer typischen Weizen / Mais Doppelfruchtfolge der NCP anzuwenden. Hierbei sollte das Potential zur Verringerung der Stickstoff (N-)Einträge bei gleichzeitigem Beibehalt der Ertragserwartungen abgewägt werden. Außerdem wurden Strategien, die eine Verringerung sowohl der N-Einträge als auch Verluste zum Ziel haben, mit der gängigen landwirtschaftlichen Praxis (FP) in Hinsicht auf N-Einträge, Ertrag und N-Nutzungseffizienz verglichen. Hierzu wurde über 2.5 Jahre ( 3 * Mais; 2 * Weizen) ein Feldversuch in einem ehemals überdüngten Feld der NCP durchgeführt.
Die Anwendung eines Nmin-basierten Systems zur N-Bedarfsermittlung lässt im Vergleich zur gängigen landwirtschaftlichen Praxis eine Verringerung des N-Düngeaufwands um 50% zu, ohne den Ertrag der Weizen / Mais Doppelfruchtfolge zu verringern. Eine extrem hohe Remineralisation von N führte in den ersten zwei Anbauperioden von Mais zu hohen Erträgen der Kontrollbehandlung (CK: 2009: 5.7 und 2010: 5.9 Mg ha-1). Diese Erträge unterschieden sich nicht signifikant von den gedüngten Behandlungen des Versuchs. Aus diesem Grund wurde in den gedüngten Varianten eine sehr geringe N Wiederfindungseffizienz (REN: 0.09 kg kg-1 – 0.30 kg kg-1) ermittelt. Aus agronomischer Sicht war eine N-Gabe in den ersten zwei Anbauperioden von Mais nicht notwendig. Erst in der dritten Anbauperiode von Mais wurde ein Ertragseinbruch der Kontrollbehandlung beobachtet. Die optimierte N-Düngung führte im Vergleich zu FP (0.21 kg kg-1) zu signifikant höheren N-Nutzungseffizienzen (0.37 – 0.58 kg kg-1). Im Gegensatz zu Mais ist Winterweizen zur Ertragsentwicklung auf eine N-Gabe angewiesen. Der Nmin-basierte Ansatz zur Ermittlung des Düngebedarfs führte im Vergleich zu FP (0.26 and 0.27 kg kg-1) zu einer signifikant gesteigerten N Wiederfindungseffizienz (0.34 – 1.0 kg kg-1). Die Ermittlung der kumulierten Erträge und agronomischen Nutzungseffizienz zeigte, dass eine optimierte N-Gabe mit Ammonsulfatsalpeter (ASN) in Verbindung mit dem Nitrifikationshemmstoff 3,4-dimethylpyrazolephosphate (DMPP) mittelfristig die höchsten Erträge sowie agronomische N Effizienz aufwies (ASNDMPP: AEN: 19 kg kg-1, Ertag: 35 Mg ha-1). Die höchste Wiederfindungseffizienz wurde bei einer Depotdüngung mit Ammoniumnitrat-Harnstofflösung ermittelt (UANDEP REN: 0.40 kg kg-1).
Die optimierte N-Düngung verringert die N Bilanz nach der Ernte. Die optimierte Düngung von Harnstoff oder ASNDMPP führte zu signifikant verringerten N Bilanzen (-36 to 102 kg N ha-1) im Vergleich zu FP (56 to 262 kg N ha-1). Hierdurch verringerte sich die Überschuss an N im Boden (Urea und ASNDMPP: 113 kg N ha-1 ; FP: 293 kg N ha-1; Versuchsende). N Mineralisation findet hauptsächlich in der Vegetationsperiode von Mais im Sommer statt. Die Ergebnisse dieses Feldversuchs weisen darauf hin, dass N in den Ernterückständen von Mais nicht der dazwischen angebauten Weizenkultur, sondern erst der folgenden Maisfrucht zur Verfügung steht. Die N Mineralisationsrate reicht hier für die Ertragsbildung von Mais aus. Um die Überdüngung mit N effektiv zu verringern, ist es somit notwendig das Mineralisationspotential überdüngter Böden zuverlässig zu bestimmen. Auf Grundlage der Ergebnisse von diesem und weiteren in der NCP durchgeführten Feldversuchen wurde das Boden-Pflanze Interaktionsmodel HERMES am ZALF Müncheberg kalibriert und validiert.
In einem Laborversuch wurde der Einfluss von Weizenstroh und dem Urease-Inhibitor (UI) N-(n-buthyl) thiophosphortriamid (nBPT) auf die Umsetzung von Harnstoff, sowie die gasförmigen Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2), Lachgas (N2O) und Ammoniak (NH3) untersucht.
nBPT verringert die Umsetzung von Harnstoff zu Ammonium (NH4+) stark und verhindert fast vollständig NH3 Verluste über einen Zeitraum von 2 Wochen (Harnstoff: 12 – 14% Verlust). Die Umsetzung des Harnstoff wird hierbei nicht so sehr verlangsamt als dass die Nitrifikationsrate beeinflusst wird. Dadurch ist die Verfügbarkeit von N für Pflanzen gewährleistet.
Weiterhin verlängert Weizenstroh das Auftreten von NH4+ und verringert das Auftreten von Nitrat (NO3-). Es könnte somit entweder die Hydrolyse des Harnstoff stimulieren oder als Nitrifikationsinhibtor (NI) agieren. Harnstoff steigerte die Bodenrespiration und Emission von N2O. Unter Zugabe von Weizenstroh kam es zu einer Interaktion der Haupteffekte des Versuchs und einer um Faktor 5 gesteigert N2O-Emission. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Harnstoff als C und N Quelle für Mikroben fungiert und die mikrobielle Aktivität antreibt. NBPT verhinderte jedoch diesen Interaktionseffekt. Somit verhindert nBPT entweder das “Priming” der mikrobiellen Aktivität oder es verschiebt die Nitrifikations/Denitrifikationsprozesse zum Verlust von N als N2.