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

Abstract

Afforestation, particularly with the use of N2-fixing trees (NFTs), is an option for ecological restoration of salinized, irrigated croplands in the lower reaches of the Amu Darya River. But current knowledge of enhanced juvenile tree growth and their N2 fixation rates is sparse for the marginal 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 N2 fixation, biomass and growth rates of actinorhizal Elaeagnus angustifolia L. and leguminous Robinia pseudoacacia L. N2 fixation was quantified through 15N natural abundance, based on foliar and whole-tree sampling against non-N-fixing Gleditsia triacanthos L. The P rates included: (i) high-P (90 kg P ha-1), (ii) low-P (45 kg P ha-1), and (iii) no P applied (0-P). With high-P, N2 fixation by E. angustifolia increased by 81% and almost doubled for R. pseudoacacia when compared to 0-P. At a tree density of 5,714 trees ha-1, N2 fixed with high-P increased from an initial value of 64 kg ha-1 to 807 kg ha-1 after three years in E. angustifolia, and from 9 kg ha-1 to 155 kg ha-1 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. <br /> N2 fixation of E. angustifolia, the species with the highest potential in the field trial, was also quantified in lysimeters to eliminate inaccuracies that can occur when harvesting large trees in open fields. Here we used more than one reference species and two assessment methods, the 15N-enrichment technique (15NET) and the A-value (AV). The non-N-fixers G. triacanthos and Ulmus pumila L. served as a reference. Twenty kg N ha-1 of 5 atom % 15N excess ammonium nitrate was applied to one-year-old trees in 2007 and to two-year-olds in 2008. This rate was suspected to be insufficient for the growth of elder reference trees, hence a treatment with 60 kg N ha-1 was included in 2008. With 15NET, the proportion of atmospheric N2 (%Ndfa) of E. angustifolia in 2007 was 79% 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 the same two species, respectively. Over two years, E. angustifolia fixed an average of 16 kg N2 ha-1 year-1 when compared against both reference species. The findings of the N2 fixation rates of E. angustifolia measured with the 15NET and AV methods were compared also with the 15N natural abundance (15NA) 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. <br /> 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 N2-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 N2-fixer E. angustifolia should be harvested in July and 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.

<strong>Auswirkungen von Phosphorzugaben auf die Stickstoffbindung und das Wachstum von Bäumen auf Agrarflächen mit hoher Bodensalinität im Unterlauf des Amu Darya in Usbekistan</strong><br /> Eine Aufforstung speziell mit N2-bindenden Bäumen stellt eine Möglichkeit zur Restaurierung von salzbefallenen Agrarflächen am Unterlauf des Amu Darya dar. Die Bindungsraten von N2 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 N2-Bindung, Biomasse und Wachstumsraten der Aktinorrhiza-Pflanze Elaeagnus angustifolia L. und der Leguminose Robinia pseudoacacia L. Die Bindung von N2 wurde dabei anhand der natürlichen 15N Häufigkeit bestimmt, auf Blatt- und Baumebene im Vergleich mit der nichtbindenden Art Gleditsia triacanthos L.. Die Phosphorgaben wie folgt dosiert: (i) hohe Zugaben (90 kg P ha-1), (ii) niedrige Zugaben (45 kg ha-1) und (iii) keine Zugabe (0-P). Im Vergleich mit 0-P stieg die Bindung von N2 unter hoher P-Zugabe bei E. angustifolia um 81%, bei R. pseudoacacia sogar um fast das Doppelte. Bei einer Bestandsdichte von 5 714 Bäumen pro Hektar stieg die N2-Bindung innerhalb von drei Jahren bei E. angustifolia von anfänglich 64 kg ha-1 auf 807 kg ha-1 N2, und bei R. pseudoacacia von 9 kg ha-1 auf 155 kg ha-1. Der Effekt der 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. <br /> Die N2-Bindung durch E. angustifolia, der vielversprechendsten Spezies im 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 auftreten können. Die Quantifizierungsmethoden umfassten die 15N-Anreicherungstechnik (15NET) 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 zweijährigen Bäumen je 20 kg ha-1 von mit fünf Atomprozent 15NET angereichertem Ammoniumnitrat zugegeben. Diese Menge war für das Wachstum von älteren Referenzbäumen nicht ausreichend, weswegen 2008 hier 60 kg ha-1 Stickstoff zugegeben wurden. Die 15NET Methode erbrachte im Jahr 2007 für E. angustifolia verglichen mit den Referenzpflanzen U. pumila und G. triacanthos einen Anteil an atmosphärischem N2 (%Ndfa) von 79% bzw. 68%. Die Ergebnisse der AW Methode bei zweijährigen E. angustifolia (2008) zeigten einen %Ndfa von 80% und 68% verglichen mit den genannten Referenzarten. Über zwei Jahre hinweg wurden im Vergleich zu beiden Referenzarten durch E. angustifolia im Mittel 16 kg ha-1 N2 gebunden. Die durch die 15NET und AW Methoden gemessenen N2-Bindungsraten von E. angustifolia wurden auch hinsichtlich der natürlichen Häufigkeit von 15N (15NA) und durch die Berechnung von Gesamtstickstoff-Differenzen (ND) ausgewertet. Die höchste Genauigkeit wurde hierbei mit der AW Methode erzielt. Die ND Methode ist hingegen kostengünstiger und insbesondere in Lysimeterexperimenten zu bevorzugen, wenn auf eine gute Infrastruktur zur Bestimmung der Trockenmasse und des Gesamtstickstoffs zurückgegriffen werden kann.<br /> Werkzeuge zur Planung von günstigen Erntezeitpunkten, also den Zeiträumen mit hohen Stickstoffgehalten der untersuchten Arten E. angustifolia und R. pseudoacacia, können das Management von Baumplantagen verbessern. Zwischen 2006 und 2008 wurde das Chlorophyll-Messgerät SPAD-502 im Hauptexperiment mit den beiden N2-bindenden sowie der nicht N2-bindenden Baumart G. triacanthos getestet, kalibriert und validiert. Die räumliche und zeitliche Validierung der Baumarten zeigte hohe Korrelationen mit empirisch gewonnenen Werten. Zusätzlich wurden für die drei Baumarten Bandbreiten von SPAD-502 Messungen ermittelt, innerhalb derer eine Überwachung und Vorhersage der zeitlichen Entwicklung von Stickstoffgehalten der Blätter mittels der statistischen Zusammenhänge möglich ist. Dieses Gerät kann tierhaltende Betriebe unterstützen, die Baumlaub optimal in die Zufütterung ihres Tierbestands integrieren möchten. Für die Bestimmung des Futterwerts der Blätter ist der Gehalt an Rohprotein (RP) von besonderer Bedeutung. SPAD-502 erlaubte die Bestimmung des RP-Gehalts von Blättern der drei Baumarten auf Grundlage des bekannten Verhältnisses von Stickstoff zu Rohprotein (N/RP), allerdings nur im Bereich der mit dem SPAD-502 bei der Kalibrierung für jede Art festgelegten Meßwerte. Die minimale Kostenkombination verschiedener Intensitäten von Blattfütterung während der gesamten Vegetationsperiode wurde mit einem gesondert entwickelten Rechenmodell simuliert. Wesentliche Ergebnisse waren, dass die Blätter des nicht-stickstoffbindenden G. triacanthos am Besten im Mai geerntet werden sollten, wogegen der optimal Erntezeitpunkt des stickstoffbindenden E. angustifolia zwischen Juli und August liegt. Die Düngung von Phosphor bei der Baumpflanzung und die Nutzung optischer Sensoren sind daher sehr gut geeignet, das Baumplantagenmanagement auf marginalen landwirtschaftlichen Flächen zu verbessern, was der Umwelt und den Farmern in den Trockenregionen von Usbekistan zu Gute kommt.