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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Ökologischer Pflanzenbau und Agrarökosystemforschung in den Tropen und Subtropen  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2017012351923

Title: Nitrogen use efficiency and optimization of nitrogen fertilizer application for stable yields and high quality of cereals grown in conservation agriculture
Authors: Grahmann, Kathrin
???metadata.dc.subject.swd???: StickstoffdüngungHartweizenKonservierende Bodenbearbeitung
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 23-Jan-2017
Abstract: In most agroecosystems, nitrogen (N) is the most important nutrient limiting plant growth. One management strategy that affects N cycling and N use efficiency (NUE) is conservation agriculture (CA), an agricultural system based on a combination of minimum tillage, crop residue retention and crop rotation. Available results on the optimization of NUE in CA are inconsistent and studies that cover all three components of CA are scarce. Presently, CA is promoted in the Yaqui Valley in Northern Mexico, the country´s major wheat-producing area in which from 1968 to 1995, fertilizer application rates for the cultivation of irrigated durum wheat (Triticum durum L.) at 6 t ha-1 increased from 80 to 250 kg ha-1, demonstrating the high intensification potential in this region. Given major knowledge gaps on N availability in CA this thesis summarizes the current knowledge of N management in CA and provides insights in the effects of tillage practice, residue management and crop rotation on wheat grain quality and N cycling. Major aims of the study were to identify N fertilizer application strategies that improve N use efficiency and reduce N immobilization in CA with the ultimate goal to stabilize cereal yields, maintain grain quality, minimize N losses into the environment and reduce farmers’ input costs. Soil physical and chemical properties in CA were measured and compared with those in conventional systems and permanent beds with residue burning focusing on their relationship to plant N uptake and N cycling in the soil and how they are affected by tillage and N fertilizer timing, method and doses. For N fertilizer management, we analyzed how placement, time and amount of N fertilizer influenced yield and quality parameters of durum and bread wheat in CA systems. Overall, grain quality parameters, in particular grain protein concentration decreased with zero-tillage and increasing amount of residues left on the field compared with conventional systems. The second part of the dissertation provides an overview of applied methodologies to measure NUE and its components. We evaluated the methodology of ion exchange resin cartridges under irrigated, intensive agricultural cropping systems on Vertisols to measure nitrate leaching losses which through drainage channels ultimately end up in the Sea of Cortez where they lead to algae blooming. A throughout analysis of N inputs and outputs was conducted to calculate N balances in three different tillage-straw systems. As fertilizer inputs are high, N balances were positive in all treatments indicating the risk of N leaching or volatilization during or in subsequent cropping seasons and during heavy rain fall in summer. Contrary to common belief, we did not find negative effects of residue burning on soil nutrient status, yield or N uptake. A labeled fertilizer experiment with urea 15N was implemented in micro-plots to measure N fertilizer recovery and the effects of residual fertilizer N in the soil from summer maize on the following winter crop wheat. Obtained N fertilizer recovery rates for maize grain were with an average of 11% very low for all treatments.In den meisten Agrarökosystemen ist Stickstoff der wichtigste, aber auch meist limitierende Pflanzennährstoff. Eine Bewirtschaftungsform, die die Stickstoffdynamik im Boden und die Stickstoffeffizienz eines Anbausystems beeinflusst, ist die konservierende Bodenbearbeitung. Hierbei handelt es sich um ein landwirtschaftliches System basierend auf den drei Komponenten der minimalen Bodenbearbeitung, dem Hinterlassen von Ernterückständen auf der Bodenoberfläche und einer ökonomisch sinnvollen Fruchtfolge. Die bisherigen Erkenntnisse zur Optimierung der Stickstoffeffizienz und Düngerausbringung in konservierender Bodenbearbeitung sind inkonsistent. Derzeit wird die konservierende Bodenbearbeitung im Yaqui Tal in Nordmexiko durch CIMMYT und das mexikanische Agrarministerium gefördert. Von 1968 bis 1995 stieg die Ausbringung von Düngemitteln von 80 auf 250 kg N ha-1 für den Anbau von bewässerten Hartweizen (Triticum durum L.) und erzielt heutzutage durchschnittliche Erträge von 6 t ha-1. Diese Dissertation fasst den aktuellen Erkenntnisstand über den Nährstoff Stickstoff in konservierender Bodenbearbeitung zusammen und gibt einen Einblick über die Wirkungsprinzipien der minimalen Bodenbearbeitung, Fruchtfolge und Ernterückständen bzw. Strohmulch auf Bodenqualität, Erträge, Kornqualität und den Stickstoffkreislauf. Es werden verschiedenere Düngerstrategien zur Verbesserung der Stickstoffeffizienz und zur Reduzierung der Immobilisierung von Stickstoff in konservierender Bodenbearbeitung untersucht, mit dem Ziel Erträge und Kornqualität zu stabilisieren, Umweltbelastungen durch kontaminierenden Mineraldünger zu minimieren und die Ausgaben für Landwirte durch Kraftstoffeinsparungen zu reduzieren. Physikalische und chemische Eigenschaften des Bodens in Systemen der konservierenden Bodenbearbeitung wurden gemessen und mit denen in herkömmlichen Pfluganbausystemen verglichen. Bezüglich des Düngermanagements haben wir untersucht, wie sich Platzierung, Zeitpunkt und Höhe der Düngung auf den Ertrag und zahlreiche Qualitätsparameter von Hart- und Brotweizen in den verschiedene Bodenbearbeitungssystemen auswirken. Insgesamt sank die Getreidequalität mit minimaler Bodenbearbeitung und zunehmender Menge von Ernterückstände im Vergleich zu herkömmlichen Pflugsystemen. Im zweiten Teil der Dissertation wird ein Überblick über die angewandten Methoden zur Messung von Stickstoffeffizienz und ihren Komponenten gegeben. Harzkartuschen wurden verwendet, um die Nitratauswaschung in bewässerten, intensiven Anbausystemen von Mais und Weizen zu messen. Eine Aufgliederung der gesamten Stickstoffeingänge- und Ausgänge wurde für den Weizenzyklus 2013/14 durchgeführt, um eine Stickstoffbilanz in drei verschiedenen Bodenbearbeitungssystemen zu erhalten. Hohe Düngermengen führten zu einer positiven Stickstoffbilanz und hohem Restbodenstickstoff in allen Behandlungen, jedoch erhöhten sich damit auch die möglichen Stickstoffverluste durch Auswaschung und Emissionen. Entgegen der weit verbreiteten Annahme haben wir keine negativen Auswirkungen durch die Verbrennung von Ernterückstände auf die Nährstoffversorgung des Bodens, den Ertrag oder die Stickstoffaufnahme durch die Pflanze feststellen können. Ein Düngerexperiment mit 15N markiertem Harnstoff wurde in Mikroparzellen durchgeführt, um die Mineraldüngereffizienz auf den Sommermaisanbau und den darauffolgenden Winterweizen zu quantifizieren. Die Düngereffizienz für Maiserträge war sehr gering in allen Behandlungen und betrug durchschnittlich nur 11%.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2017012351923
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