Influence of nitrogen and water supply on evapotranspiration, yield and agronomic water use efficiency of winter wheat

Abstract

The predicted climate change for North West Europe, which will be characterized by higher temperatures and lower rainfall during the summer months, will challenge future food production. Against this background, the question is how nitrogen supply influences the evapotranspiration (ETa) and the agronomic water-use-efficiency (WUEy). Literature regarding drought stress reactions of winter wheat (Triticum aestivum, L.) grown in the temperate humid climate of North West Europe is scarce. Because of this a field trial with variable nitrogen and water supply was conducted during 2013-2015 at the Research Center for Crop Nutrition Hanninghof in Dülmen. To induce different water regimes (fully watered control, early drought, early and late drought) rain-out-shelter and drip irrigation systems were installed. Different N-supply treatments (unfertilized control, 120 and 230 kg N ha-1) were induced using calcium ammonium nitrate (27% N). A realistic calculation of ETa is the key for the quantification of the impact of nitrogen on WUEy. Therefore two different calculation approaches for estimating ETa according to the FAO 56 method were compared. ETa was calculated based on handspectrometer measurements converted to crop coefficients (Kc-values) (NDVI-approach) and on the other hand based on published Kc-values and Kc duration periods (tabulated-approach) for plots that were not water and nitrogen limited. In general, it could be concluded that the method for estimating ETa according to FAO 56 showed realistic results. Furthermore, the data showed that the NDVI-approach, in contrast to the tabulated-approach, allowed a realistic calculation of ETa. Tabulated values could only be used retrospectively for estimating ETa, whereas the NDVI-approach can take growth influencing parameters (weather, pests, lack of nutrients) into account and can therefore be used to quantify ETa during the vegetation season. For this reason we used the NDVI-approach to calculate the ETa for plots that were limited in their water and nitrogen supply. If water was not limited a higher nitrogen rate increased grain yields of wheat more than ETa. The positive effect of nitrogen fertilization on WUEy was mainly caused by a reduction of soil evaporation. This effect was more pronounced under wet than under drought conditions. The results of this study also showed that the NDVI-approach can be used not only to quantify ETa but also to measure yield reductions caused by drought stress (Ky-value) during the vegetation period. Drought stress during booting also caused grain yield reductions. This study showed that a high N-supply compared to moderate N-supply under early drought and continuous drought conditions increased both grain yields and ETa in a more water use efficient way. We refer this positive N-effect to the fully water saturated soils at the start of the vegetation period in spring.

Die Prognose der klimatischen Veränderungen in Nordwesteuropa, welche im Vergleich zur derzeitigen Situation erhöhte Temperaturen und geringere Niederschläge in den Sommer-monaten vorhersagt, wird die zukünftige Nahrungsmittelproduktion vor neue Heraus-forderungen stellen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, welchen Einfluss die Stickstoffdüngung auf die Evapotranspiration (ETa) und die agronomische Effizienz der Wassernutzung (WUEY) hat. Da aus der Literatur wenig über Trockenstressreaktionen von Winterweizen (Triticum aestivum, L.) in temperat humiden Klimaten in Nord-West Europa bekannt ist, wurde in den Jahren 2013-2015 Feldversuche mit unterschiedlichem Stickstoff- und Wasserangebot am Institut für Pflanzenernährung und Umweltforschung in Dülmen durchgeführt. Zur Einstellung der unterschiedlichen Wasserversorgung (voll gewässerte Kontrolle, früher Trockenstress, früher und später Trockenstress) wurden Regenabdeckungen und Tropfbewässerungssysteme eingesetzt. Eine unterschiedliche N-Versorgung (ungedüngte Kontrolle, 120 und 230 kg N ha-1) wurde mittels Düngung mit Kalkammonsalpeter (27% N) eingestellt. Eine möglichst realistische Berechnung der ETa ist für die Quantifizierung des Einflusses der Stickstoffversorgung auf die WUEy von zentraler Bedeutung. Zunächst wurden deshalb zwei Berechnungsmethoden für die Abschätzung der ETa nach Methode FAO 56 verglichen. Die ETa wurde anhand von handspektrometrisch gemessenen Pflanzen-koeffizienten (Kc-Werten) (NDVI-Ansatz) und auf Grundlage publizierter Kc-Werte und Kc-Phasenlängen (tabellierter-Ansatz) für nicht Wasser- und Stickstoff-limitierte Weizenbestände berechnet. Insgesamt zeigte sich, dass die ETa-Berechnungsmethode nach FAO 56 die Wasserverbräuche der Pflanzenbestände sehr realistisch abbildete. Die Daten zeigen weiterhin, dass der NDVI-Ansatz im Vergleich mit dem tabellierten-Ansatz eine realistische Berechnung der ETa ermöglicht. Tabellierte Werte können lediglich retrospektiv für eine Berechnung der ETa herangezogen werden, währenddessen der NDVI-Ansatz auch während der Vegetationsperiode zur Abschätzung der ETa genutzt werden kann und wachstums-beeinflussende Faktoren (Wetter, Nährstoffmangel, Krankheiten) berücksichtigt. Deshalb erfolgte die Berechnung der ETa für Stickstoff- und Wasser-limitierte Prüfglieder mit dem NDVI-Ansatz. Bei ausreichendem Wasserangebot erhöhte die Stickstoffdüngung den Korn-ertrag vergleichsweise stärker als die ETa. Der positive Effekt der Stickstoffdüngung auf die WUEy beruhte hauptsächlich auf einer relativen Verminderung der Bodenevaporation. Dieser Effekt war unter Bedingungen ausreichender Wasserversorgung ausgeprägter als unter Wasser-limitierten Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass mittels des NDVI-Ansatzes nicht nur die ETa, sondern auch das Ausmaß der Trockenstress bedingten Ertragsreduktion (Ky-Wert) quantifiziert werden konnten. Weiterhin stellte sich heraus, dass auch ein Trockenstress während des Schossens den Ertrag negativ beeinflusste. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass eine hohe N-Versorgung im Vergleich zu einer moderaten N-Düngung unter frühem und andauernden Trockenstress zu höheren Kornerträgen führte und gleichzeitig eine höhere ETa verursachte, was in einer höheren WUEy resultierte. Wir schreiben den positiven N-Effekt den nahezu wassergesättigten Böden zu Vegetationsbeginn nach Winter zu.