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

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 fertilizer (15N) experiments in 2005 to quantify the fate of the applied N fertilizer.<br /> Although N was the most limiting nutrient, the N response curve of cotton and wheat yield to increasing N rates was rather flat with a yield maximum at 120 and 180 kg N ha-1, respectively. This can be attributed to unaccounted N supplements from ground- and irrigation water of around 31 kg ha-1. The official N recommendations of 200 and 180 kg N ha-1, 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. <br /> 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 around 22 % lower total 15N recovery rates (64 %). For wheat, an additional late N application at the heading stage yielded highest total 15N 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.<br /> Cotton fiber quality was of lowest grade (i.e. 31 mm length, 25 g tex-1 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 medium flour thickener. Increasing N rates enhanced kernel protein (15 % at 300 kg N ha-1), 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. <br /> The cotton-generic routine developed for the CropSyst model predicted the experimental yields with a high accuracy (RSME 1.08 Mg kg-1). 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. <br /> For cotton, returns to N investments were highest (1,069,332 UZS ha-1 net benefit) for the farmers’ N practice and for N rates below 120 kg ha-1, which encouraged fast maturation of cotton bolls at pick 1 and 2. The economic optimum thus diverged from the plant-N demand and recommendations of 200 kg ha-1. The economically most promising wheat treatments were those fertilized with the recommended N rate of 180 kg ha-1 and those receiving additional N just before anthesis (340,669 UZS ha-1 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.

<strong>Verbesserung der Stickstoffeffizienz und Qualität von Baumwollfasern und Weizen in der Region Khorezm, Usbekistan</strong><br /> 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-Praktiken bestimmt. Die Studie beinhaltete Experimente mit markiertem N-Dünger (15N) im Jahr 2005, um das Verbleiben des applizierten N-Düngers zu quantifizieren. <br /> Obwohl N der limitierendste Nährstoff war, verlief die N-Ertragskurve für Baumwolle und Weizen mit zunehmenden N-Raten relativ flach, mit einem Ertragsmaximum von jeweils 120 und 180 kg N ha-1. Dies kann nicht erfasstem N-Eintrag von rund 30 kg ha-1 durch Grund- und Bewässerungswasser zugeschrieben werden. Die offiziellen N-Empfehlungen von 200 und 180 kg N ha-1 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.<br /> Die gesamte N-Nutzungseffizienz war für beide Kulturen sehr hoch (81-84 %). Der große Anteil an Boden-15N (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, jedoch zu etwa 22 % niedrigeren totalen 15N-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.<br /> Die Baumwollfaserqualität war von niedrigster Kategorie (usbekische Klassifikation, d.h. 31 mm Länge, 25 g tex-1 Faserstärke, und 4,08 Micronaire) und blieb unbeeinflusst von N-Anwendung, Zeitpunkt der Applikation oder N-Düngeform. Trotz Düngung in empfohlener Höhe erwiesen sich die Protein- und Klebergehalte (jeweils 12,3 and 23,0 %) lediglich als von befriedigender und guter Qualität und als schlechte bis mittlere Mehlverbesserer. Zunehmende N-Raten erhöhten das Protein in den Körnern (15 % bei 300 kg N ha-1), jedoch nicht den Klebergehalt (25,0 % bei 300 kg N ha-1). Der Proteingehalt und der Ertrag waren negativ korreliert. Dies zeigt die Notwendigkeit der Züchtung oder Einführung von Weizensorten mit einem engeren, auf die Bewässerungslandwirtschaft Usbekistans zugeschnittenen Qualitäts- und Ertragspotenzialverhältnis. <br /> Die generische Baumwollroutine, die für das CropSyst-Modell entwickelt wurde, prognostizierte die experimentellen Erträge mit hoher Genauigkeit. Die Simulationen zeigten, dass gasförmige N-Verluste durch die Absenkung des Grundwasserspiegels reduziert werden können. Eine Erhöhung der Baumwollerträge ohne zunehmende N-Verluste ist möglich, wenn Wasserbedarf und -verfügbarkeit besser aufeinander abgestimmt werden. <br /> Für Baumwolle waren die Renditen der N-Investitionen am höchsten zu den von den Bauern praktizierten Düngezeitpunkten (1.069.332 UZS ha-1 Gewinn), und auch bei niedrigen N-Gaben, welche die schnelle Reifung der Baumwolle zur ersten und zweiten Pflücke stimulieren. Das ökonomische Optimum unterschied sich daher sowohl vom N-Bedarf der Pflanzen als auch von den offiziellen (höheren) Düngeempfehlungen. Die ökonomisch vielversprechendsten Weizenexperimente waren diejenigen, welche mit der empfohlenen N-Menge gedüngt wurden und jene, die eine zusätzliche N-Düngung kurz vor der Blüte erhielten (340.669 UZS ha-1 Gewinn). Jedoch fehlt dem Zahlungssystem der Weizenmühlen derzeit der qualitätsbezogene finanzielle Anreiz, um die Bauern zu motivieren, Weizen höherer Qualität zu erzeugen.<br /> Das N-Management und die N-Nutzungseffizienz in der Baumwoll- und Weizenproduktion können durch Veränderungen im Zahlungssystem der Baumwollfabriken und Weizenmühlen verbessert werden. Die dort geschaffenen Anreize können zur nachhaltigen N-Düngepraxis anregen und gleichzeitig die Produktqualität erhöhen. Die Weizenqualität kann durch späte N-Düngeapplikationen oder durch bessere Sorten(züchtung) gesteigert werden. Das Model CropSyst konnte den Einfluss verschiedener landwirtschaftlicher Praktiken auf den Baumwollertrag und auf die Bodenparameter aufzeigen. Es kann somit helfen, Veränderungen im derzeitigen Mangementsystem anzuregen.