Improving the nitrogen use efficiency and crop quality in the Khorezm region, Uzbekistan [Elektronische Ressource] / von Kirsten Maren Kienzler

Kirsten Maren Kienzler

Informations

• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

INRES
_______________________________________________________________



Improving the nitrogen use efficiency and crop quality in
the Khorezm region, 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 16.12.2009

von
KIRSTEN MAREN KIENZLER
aus
LAHR


































1. Referent: Prof. Dr. Heinrich Scherer

2. Referent: Prof. Dr. Paul L.G. Vlek

3. Referent: Prof. Dr. Heiner Goldbach


Tag der Promotion: 16.12.2009

Erscheinungsjahr: 2010

Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert







For my family.




Ich werde nicht sterben.
Heute an diesem Tag voller Vulkane,
ich trete hervor, der Menge entgegen, dem Leben zu.
Pablo Neruda
(„Voy a Vivir“, Canto General, 1949) ABSTRACT


In the irrigated agriculture of Central Asia, low nitrogen (N) fertilizer use efficiency in cotton
(Gossypium hirsutum L.) and winter wheat (Triticum aestivum L.) decreases yields and farm income.
Current N-fertilizer use is based on recommendations from Soviet times when fertilizer supply was
subsidized to maximize production at all costs. Modern N management needs to enable farmers to
obtain stable crop yields of good quality and preserve the environment. The present study, based on
field experiments conducted 2004-2006 in the Khorezm region, Uzbekistan, intended to (i) establish
cotton and wheat yield and quality responses to N fertilization; (ii) evaluate N-fertilizer use
efficiency of officially recommended N use and farmers’ practice; (iii) simulate soil N dynamics and
yields under varying N rates, irrigation water quantities and groundwater levels with CropSyst; and
(iv) determine the financial feasibility of different N practices. The study included labeled N
15fertilizer ( N) experiments in 2005 to quantify the fate of the applied N fertilizer.
Although N was the most limiting nutrient, the N response curve of cotton and wheat
-1yield to increasing N rates was rather flat with a yield maximum at 120 and 180 kg N ha ,
respectively. This can be attributed to unaccounted N supplements from ground- and irrigation water
-1 -1of around 5-61 kg ha . The official N recommendations of 200 and 180 kg N ha , for cotton and
wheat respectively, corresponded well with both the measured and simulated N uptake at yield
maximum. However, at this rate, the opening of cotton bolls was delayed beyond the period during
which the ginneries offer the highest prices for cotton.
Total N-use efficiency was very high for both crops (81-84 %). The large share of soil-
15N (48 and 47 %, respectively) indicates that immobilization processes and/or pool substitution
strongly influenced recovery rates. Farmers’ N fertilization practice gave highest cotton yields, but
15around 22 % lower total N recovery rates (64 %). For wheat, an additional late N application at the
15heading stage yielded highest total N recovery rates (52 and 53 % in plant biomass and the soil,
respectively). N fertilization with diammonium phosphate before seeding showed the highest N-use
efficiency for wheat and cotton as compared to urea fertilizer.
-1Cotton fiber quality was of lowest grade (i.e. 31 mm length, 25 g tex strength, and
4.08 micronaire) and remained unaffected by N treatments, timing of applications or N-fertilizer
types. Fertilized with the recommended N amount, protein and gluten content of wheat kernels (12.3
and 23.0 %, respectively) met the criteria of only satisfactory to good wheat filler and low to
-1medium flour thickener. Increasing N rates enhanced kernel protein (15 % at 300 kg N ha ), but not
gluten content (25.0 %). Protein content and yield were negatively related, showing the need for
breeding or introducing wheat varieties with narrower quality and yield potential suitable for
irrigated conditions in Uzbekistan.
The cotton-generic routine developed for the CropSyst model predicted the experimental
-1yields with a high accuracy (RSME 1.08 Mg kg ). Simulations show that gaseous N losses can be
reduced by lowering the groundwater level. Increasing cotton yields without increasing N losses
seems possible when matching water demand and supply more closely.
-1For cotton, returns to N investments were highest (1,069,332 UZS ha net benefit) for the
-1farmers’ N practice and for N rates below 120 kg ha , which encouraged fast maturation of cotton
bolls at pick 1 and 2. The economic optimum thus diverged from the plant-N demand and
-1recommendations of 200 kg ha . The economically most promising wheat treatments were those
-1fertilized with the recommended N rate of 180 kg ha and those receiving additional N just before
-1anthesis (340,669 UZS ha net benefit). However, the present reimbursement system at the mills
lacks attractive quality-based incentives to encourage high quality production.
Overall, the N management and N-use efficiency in irrigated cotton and wheat production
can be improved by changing the payment system of the ginneries and mills to encourage
sustainable N practices and increase crop quality. Wheat quality can be further enhanced through
late N application, or by (breeding for) better varieties. CropSyst could demonstrate the impact of
different agricultural practices on cotton yields and soil parameters and thus can help identifying
changes in the current management system. KURZFASSUNG


VERBESSERUNG DER STICKSTOFFEFFIZIENZ UND QUALITÄT VON
BAUMWOLLE UND WEIZEN IN DER REGION KHOREZM, USBEKISTAN


In den bewässerten Regionen Zentralasiens verringert die geringe Effizienz der
Stickstoffdüngung (N) im Baumwoll- (Gossypium hirsutum L.) und Weizenanbau (Triticum
aestivum L.) die Erträge und das Einkommen der Landwirte. Der derzeitige Einsatz von N-
Düngern basiert auf Empfehlungen noch aus der Sowjetzeit. Damals wurde Dünger
subventioniert, um mit allen Mitteln die landwirtschaftliche Produktion zu maximieren.
Modernes N-Management muss den Landwirten ermöglichen, stabile Erträge von guter Qualität
zu erzielen und dabei die Umwelt zu schonen. Die vorliegende Arbeit basiert auf
Feldexperimenten, die 2004-2006 in der Region Khorezm in Usbekistan durchgeführt wurden.
Darin werden (i) Baumwoll- und Weizenertrags- und -qualitätsfunktionen für die N-Düngung
etabliert; (ii) die Düngeeffizienz offiziell empfohlener mit der von Landwirten praktizierter N-
Düngung verglichen und evaluiert; (iii) mit Hilfe von CropSyst die Stickstoffdynamik in Böden
und die Erträge unter variierenden N-Düngeraten, Bewässerungsmengen und
Grundwasserständen simuliert ; und (iv) die finanzielle Machbarkeit dieser verschiedenen N-
15Praktiken bestimmt. Die Studie beinhaltete Experimente mit markiertem N-Dünger ( N) im
Jahr 2005, um das Verbleiben des applizierten N-Düngers zu quantifizieren.
Obwohl N der limitierendste Nährstoff war, verlief die N-Ertragskurve für
Baumwolle und Weizen mit zunehmenden N-Raten relativ flach, mit einem Ertragsmaximum
-1 -1 von jeweils 120 und 180 kg N ha . Dies kann nicht erfasstem N-Eintrag von rund 5-61 kg ha
durch Grund- und Bewässerungswasser zugeschrieben werden. Die offiziellen N-Empfehlungen
-1von 200 und 180 kg N ha für Baumwolle und Weizen stimmen gut mit der gemessenen und
simulierten N-Aufnahme für den maximalen Ertrag überein. Jedoch wird bei dieser N-Rate das
Öffnen der Baumwollkapseln über den Zeitraum der Ernte hinaus verzögert, in welchem die
Baumwollfabriken den höchsten Preis für Rohbaumwolle bezahlen.
Die gesamte N-Nutzungseffizienz war für beide Kulturen sehr hoch (81-84 %). Der
15große Anteil an Boden- N (jeweils 48 und 47 %) weist darauf hin, dass
Immobilisierungsprozesse und die Substitution des N-Pools im Boden die Wiederfindungsraten
stark beeinflussen. Düngung gemäß der lokal gängigen Praxis führte zu höchsten Erträgen,
15jedoch zu etwa 22 % niedrigeren totalen N-Wiederfindungsraten (64 %). Für Weizen führte
eine zusätzliche späte N-Applikation zum Zeitpunkt des Ährenschiebens zu höchsten Gesamt-
15N-Wiederfindungsraten (52 und 53 % in Pflanzen und Boden). N-Düngung mit
Diammoniumphosphat vor der Saat zeigte die höchste N-Nutzungseffizienz für Weizen und
Baumwolle im Vergleich zu Ureadünger.
Die Baumwollfaserqualität war von niedrigster Kategorie (usbekische Klassifikation,
-1d.h. 31 mm Länge, 25 g tex Faserstärke, und 4,08 Micronaire) und blieb unbeeinflusst von N-
Anwendung, Zeitpunkt der Applikation oder N-Düngeform. Trotz Düngung in empfohlener
H