The effect of phosphorus amendments on nitrogen fixation and growth of trees on salt-affected croplands in the lower reaches of Amu Darya, Uzbekis [Elektronische Ressource] / Dilfuza Djumaeva. Landwirtschaftliche Fakultät

Dilfuza Djumaeva

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Zentrum für Entwicklungsforschung
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The effect of phosphorus amendments on nitrogen fixation and
growth of trees on salt-affected croplands in the lower reaches
of Amu Darya, Uzbekistan



Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Grades
Doktor der Agrarwissenschaften
(Dr. agr.)



der Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität
zu Bonn



vorgelegt am 29. April 2011

von
DILFUZA DJUMAEVA
aus
URGENCH, UZBEKISTAN













To my husband John Lamers,
our daughter Nicole Anna Cecilia,
and our son Daniel Hendricus Ronald
ABSTRACT


Afforestation, particularly with the use of N -fixing trees (NFTs), is an option for ecological 2
restoration of salinized, irrigated croplands in the lower reaches of the Amu Darya River. But current
knowledge of enhanced juvenile tree growth and their N fixation rates is sparse for the marginal 2
irrigated croplands of the Khorezm Region of Uzbekistan. A superior understanding would increase
productivity of such lands, improve soil fertility status and increase profits for farmers. A two-
factorial field experiment was therefore conducted during 2006-2008 to compare the effect of three
phosphorus (P) amendments on N fixation, biomass and growth rates of actinorhizal Elaeagnus 2
15angustifolia L. and leguminous Robinia pseudoacacia L. N fixation was quantified through N 2
natural abundance, based on foliar and whole-tree sampling against non-N-fixing Gleditsia
-1 -1triacanthos L. The P rates included: (i) high-P (90 kg P ha ), (ii) low-P (45 kg P ha ), and (iii) no P
applied (0-P). With high-P, N fixation by E. angustifolia increased by 81% and almost doubled for 2
-1R. pseudoacacia when compared to 0-P. At a tree density of 5,714 trees ha , N fixed with high-P 2
-1 -1increased from an initial value of 64 kg ha to 807 kg ha after three years in E. angustifolia, and
-1 -1from 9 kg ha to 155 kg ha in R. pseudoacacia stands. The P-effect was inconsistent when
analyzing absolute growth and biomass increase. Compared to 0-P, high-P increased total biomass,
total above ground biomass and biomass of different tree fractions, but the increments in absolute
growth were statistically insignificant. In contrast, high-P significantly increased relative growth
rates of height for E. angustifolia, and the unit production rate and nitrogen productivity for R.
pseudoacacia. Hence tree growth analyses should combine absolute and relative growth to gain a
full insight.
N fixation of E. angustifolia, the species with the highest potential in the field trial, was 2
also quantified in lysimeters to eliminate inaccuracies that can occur when harvesting large trees in
15open fields. Here we used more than one reference species and two assessment methods, the N-
15enrichment technique ( NET) and the A-value (AV). The non-N-fixers G. triacanthos and Ulmus
-1 15pumila L. served as a reference. Twenty kg N ha of 5 atom % N excess ammonium nitrate was
applied to one-year-old trees in 2007 and to two-year-olds in 2008. This rate was suspected
-1insufficient for the growth of older reference trees hence a treatment with 60 kg N ha was included
15in 2008. With NET, the proportion of atmospheric N (%Ndfa) of E. angustifolia in 2007 was 79% 2
when referenced against U. pumila and 68% against G. triacanthos. The results of the AV method
showed that the %Ndfa of two-year-old E. angustifolia was 80%, and 68% when referenced against
-1 the same two species, respectively. Over two years, E. angustifolia fixed an average of 16 kg N ha2
-1year when compared against both reference species. The findings of the N fixation rates of E. 2
15 15angustifolia measured with the NET and AV methods were compared also with the N natural
15abundance ( NA) and total N difference (ND) methods. The highest accuracy was obtained with the
AV method, but financial and material considerations may favor the total ND method, especially
when used in lysimeter trials when facilities are accessible for accurate dry matter and total N
determination.
Tree plantation management would benefit from tools to support harvest scheduling of E.
angustifolia and R. pseudoacacia foliage that have high N contents. During 2006-2008, the
chlorophyll meter SPAD-502 was tested, calibrated and validated in the core experiment for the N -2
fixers and the non-N-fixer G. triacanthos. The temporally and spatially based validation of the
species showed very high correlations with the empirically monitored values. The SPAD-502 is
therefore helpful for livestock rearers who intend to include tree foliage in feed diets of their
animals. Leaf crude protein (CP), an important indicator for feed quality, can now be determined for
the three species given the established relationships between N/CP and the SPAD-502 readings. This
determination, however, is only valid within the SPAD-502 range of readings determined during the
calibration process for each species. Based on a least-cost-ratio model, the time of inclusion of
foliage in the feed was simulated, which predicted that the leaves of non-fixer G. triacanthos would
be best harvested in May, whereas the N -fixer E. angustifolia should be harvested in July and 2
September. Therefore, P fertilization at planting and the use of optical-based sensors during the
vegetation season are two potential means for improving tree plantation management on marginal
croplands that benefit the environment and farmers in the dryland regions of Uzbekistan. Auswirkungen von Phosphorzugaben auf die Stickstoffbindung und das Wachstum von
Bäumen auf Agrarflächen mit hoher Bodensalinität im Unterlauf des Amu Darya in
Usbekistan


KURZFASSUNG


Eine Aufforstung speziell mit N -bindenden Bäumen stellt eine Möglichkeit zur Restaurierung 2
von salzbefallenen Agrarflächen am Unterlauf des Amu Darya dar. Die Bindungsraten von N 2
hinsichtlich eines verbesserten Wachstums junger Baumbestände in der
Bewässerungslandschaft von Khorezm in Usbekistan sind jedoch kaum untersucht. Ein besseres
Verständnis darüber kann die Bodenfruchtbarkeit und somit die Produktivität solcher
degradierten Flächen in der Region steigern, und damit letztendlich das Einkommen der Bauern
erhöhen. Ein Zweifaktorenversuch, durchgeführt zwischen 2006-2008, diente daher der
Untersuchung der Auswirkungen von drei unterschiedlichen Phosphorzugaben (P) auf N -2
Bindung, Biomasse und Wachstumsraten der Aktinorrhiza-Pflanze Elaeagnus angustifolia L.
und der Leguminose Robinia pseudoacacia L. Die Bindung von N wurde dabei anhand der 2
15natürlichen N Häufigkeit bestimmt, auf Blatt- und Baumebene im Vergleich mit der
nichtbindenden Art Gleditsia triacanthos L.. Die Phosphorgaben wie folgt dosiert: (i) hohe
-1 -1Zugaben (90 kg P ha ), (ii) niedrige Zugaben (45 kg ha ) und (iii) keine Zugabe (0-P). Im
Vergleich mit 0-P stieg die Bindung von N unter hoher P-Zugabe bei E. angustifolia um 81%, 2
bei R. pseudoacacia sogar um fast das Doppelte. Bei einer Bestandsdichte von 5 714 Bäumen
pro Hektar stieg die N -Bindung innerhalb von drei Jahren bei E. angustifolia von anfänglich 64 2
-1 -1 -1 -1kg ha auf 807 kg ha N , und bei R. pseudoacacia von 9 kg ha auf 155 kg ha . Der Effekt der 2
Phosphorgaben auf Wachstum und Biomassezunahme der Bäume zeigte jedoch Widersprüche.
Verglichen mit 0-P resultierte eine hohe P-Beigabe in einer Zunahme der absoluten Biomasse,
der oberirdischen Biomasse und der Biomasse der verschiedener Baumabschnitte, jedoch waren
die Effekte statistisch nicht signifikant. Demgegenüber ergab eine hohe P-Beigabe signifikant
höhere relative Höhenwachstumsraten für E. angustifolia und höhere Zuwachsraten (Unit
Production Rate) als auch Stickstoffproduktivität für R. pseudoacacia. Wachstumsanalysen von
Bäumen sollten daher sowohl absolutes als auch relatives Wachstum berücksichtigen, um einen
vollständigen Einblick zu gewährleisten.
Die N-Bindung durch E. angustifolia, der vielversprechendsten Spezies im 2
Feldversuch, wurde zusätzlich in Lysimeterexperimenten untersucht. Hierbei wurden mehrere
Referenzarten und unterschiedliche Quantifizierungsmethoden verglichen, um möglichen
Ungenauigkeiten auszuschließen, die bei der Ernte von großen Baumbeständen im Feld
15auftreten können. Die Quantifizierungsmethoden umfassten die N-Anreicherungstechnik
15( NET) und den A-Wert (AW). Die nicht Stickstoff fixierenden Spezies G. triacanthos und
Ulmus pumila dienten dabei als Referenz. Im Jahr 2007 wurde den ein- und 2008 den
-1 15zweijährigen Bäumen je 20 kg ha von mit fünf Atomprozent NET angereichertem
Ammoniumnitrat zugegeben. Diese Menge war für das Wachstum von älteren Referenzbäumen
-1 15nicht ausreichend, weswegen 2008 hier 60 kg ha Stickstoff zugegeben wurden. Die NET
Methode erbrachte im Jahr 2007 für E. angustifolia verglichen mit den Referenzpflanzen U.
pumila und G. triacanthos einen Anteil an atmosph&#