Nitrogen management in irrigated cotton-based systems under conservation agriculture on salt-affected lands of Uzbekistan

Abstract

Intensive soil tillage and mismanagement of irrigation water and fertilizers reduce soil organic matter and increase secondary soil salinization. These processes are increasing production costs, reducing soil fertility and threatening the sustainability of crop production systems in the irrigated drylands of Uzbekistan, Central Asia. These adverse effects can be counterbalanced by conservation agriculture (CA) practices combined with optimum nitrogen (N) management. This has been demonstrated in rainfed areas, but only sparse findings exist for irrigated crop production. Therefore, the effects of tillage, crop residue management and N rates were examined on growth, yield, water and N use efficiency (NUE), and the N balance of crops as well as the soil salinity dynamics in two cotton-based systems, (i) cotton/wheat/maize and (ii) cotton/cover-crop/cotton, in Khorezm, a region in northwest Uzbekistan. Also, on smaller subplots the effect of three different furrow irrigation techniques on the distribution and management of soil salinity on raised beds was studied. These techniques were every-furrow (EFI), alternating skip furrow (ASFI), and permanent skip furrow irrigation (PSFI). <br /> The split-plot experiments with four replications were conducted from 2008-2009 in an area covering 3 ha. They included two tillage methods (permanent raised bed, BP; and conventional tillage, CT); two residue levels (retaining the maximum possible amount, RR; and removing residues according to farmers’ practices, RH); and three N levels: no application (N- 0); low-N (125 kg N ha^-1 for cotton and 100 kg N ha^-1 for wheat and maize); and high-N (250 kg N ha^-1 for cotton, and 200 kg N ha^-1 for wheat and maize). These treatments were evaluated on land previously cropped using conventional means (CT). The official N recommendation for the study region is 160-180, 180 and 150 kg N ha^-1 for cotton, wheat and maize, respectively. <br /> Raw cotton yield and its components were not affected by tillage methods in both cotton-based rotation systems in the first season after transformation from CT to CA practices. However, already one cropping cycle later, wheat and maize under BP produced, respectively, 12 and 42% higher grain yields than under CT. Under BP, water productivity increased in wheat by 27% and in maize by 84%, whilst 12% less water was applied during wheat and 23% during maize production compared to CT. Nitrogen applications significantly increased the growth and yield of all crops under both tillage practices. However, the response to N applied was higher under BP than CT. Increased boll density and boll weight in cotton, number of spikes m^-2 and grains per spike in wheat, and cob density and number of grains per cob in maize predominantly caused higher yields. Total NUE in BP was higher by 42% in cotton, 12% in wheat, and 82% in maize crops compared to CT. With high N applications, the apparent positive N balance (N loss) in BP was lower by 71% in the cotton/wheat/maize system and by 53% in the cotton/cover-crop/cotton system than under CT. <br /> Residue retention in BP increased grain yield of wheat and maize in the absence of N applications, but had an insignificant effect on crop yield at low-N and high-N application rates. Residue retention had no effect at all N levels under CT. In BP, it minimized the rate of soil salinity increase by 45% in the top 10 cm and by 18% in the top 90 cm soil profile compared to RH. The inclusion of a winter cover crop in the cotton-cotton rotation reduced the groundwater nitrate contamination considerably, and increased the NUE under both BP and CT. <br /> Soil salinity on top of the beds increased significantly with EFI and ASFI compared to PSFI. The latter practice of salinity management provided the less saline area towards the irrigated furrow, as salts accumulated on the dry furrows. These accumulated salts can be leached, which reduced the salinity level in the center of the beds two-fold compared to EFI and ASFI. <br /> For cotton, wheat and maize, grown in rotation, BP and residue retention with application of the recommended N for maize and ~15% less than recommended N for cotton and wheat were in many aspects superior to CT practices. Permanent bed cotton cultivation with a winter cover crop is a suitable alternative for cotton-cotton based systems in irrigated drylands of Uzbekistan. Should residues not be available, PSFI is a suitable alternative for salt management in raised bed planting in salt-affected irrigated lands.

<strong>Stickstoffmanagement im bewässerten Baumwollanbausystem mit konservierender Bodenbearbeitung (conservation agriculture) in versalzten Böden in Usbekistan</strong><br /> Intensive Bodenbearbeitung und inadäquates Management von Bewässerungswasser und Düngemitteln reduzieren organisches Material im Boden und führen zu zunehmender sekundärer Bodenversalzung. Diese Prozesse steigern die Produktionskosten, schmälern die Bodenfruchtbarkeit und bedrohen damit letztendlich die Nachhaltigkeit der Anbausysteme in den bewässerten Trockengebieten von Usbekistan. Konservierende Bodenbearbeitung (CA), die mit optimalen Stickstoff-(N)- gaben kombiniert wird, kann den obengenannten negativen Auswirkungen entgegenwirken. Dies ist in Gebieten mit Regenfeldbau demonstriert worden, es gibt aber kaum Daten für den Bewässerungsanbau. Daher untersucht diese Studie die Auswirkungen von Bodenbearbeitung, Ernterückständen und Stickstoffgaben auf Pflanzenwachstum und -erträge sowie Wasserproduktivität, Effizienz von Stickstoffanwendungen (NUE), Stickstoffbilanz der Anbaupflanzen sowie Bodenversalzungsdynamik in zwei Baumwollsystemen: (i) Baumwolle/Weizen/Mais und (ii) Baumwolle/Gründüngung/Baumwolle in der Region Khorezm im Nordwesten Usbekistans. Außerdem wurden auf kleineren Versuchsparzellen die Auswirkungen von drei verschiedenen Furchenbewässerungsmethoden auf Verteilung und das Management von Bodenversalzung auf erhöhtem Pflanzbett (BP) untersucht und zwar Bewässerung jeder Furche (EFI), alternierendes Auslassen jeweils einer Furche (ASFI), und permanentes Auslassen der zweiten Furche (PSFI).<br /> Die split-plot Feldversuche wurden mit vier Wiederholungen 2008-2009 auf einer Fläche von 3 ha durchgeführt. Untersucht wurden zwei Bodenbearbeitungsmethoden (permanente Pflanzbetten, BP) und konventionelle Bodenbearbeitung, CT); zwei Mengen von Ernterückständen (Belassen der höchstmöglichen Menge, RR, und Entfernen der Rückstände wie durch die Bauern praktiziert, RH); und drei N-Mengen: keine N-Gabe (N-0), niedrige N-Gaben (125 kg N ha^-1 für Baumwolle und 100 kg N ha^-1 für Weizen und Mais); und hohe N-Gaben (250 kg N ha^-1 für Baumwolle und 200 kg N ha^-1 für Weizen und Mais). Die Versuche wurden auf Land durchgeführt, das zuvor konventionell bearbeitet wurde (CT). Offiziell werden für das Untersuchungsgebiet Gaben von 160-180, 180 bzw. 150 kg N ha^-1 für Baumwolle, Weizen bzw. Mais empfohlen.<br /> Die Bodenbearbeitungsmethode hatte keinen Einfluss auf den Rohbaumwollertrag oder seine Bestandteile in beiden Baumwollrotationssystemen in der ersten Anbauperiode nach der Umwandlung von CT zu CA. Jedoch bereits einen Anbauzyklus nach der Einführung von CA lagen der Weizen- bzw. Maisertrag unter BP 12% bzw. 42% höher als unter CT. Verglichen mit CT nahm unter BP die Wasserproduktivität bei Weizen um 27% und bei Mais um 84% zu, während 12% weniger Wasser bei der Weizen- und 23% bei der Maisproduktion verbraucht wurde. Die Stickstoffgaben führten zu einer signifikanten Zunahme des Pflanzenwachstums und Ertrags aller Anbaupflanzen in beiden Bodenbearbeitungsmethoden, jedoch war der Effekt des Stickstoffs höher unter BP als unter CT. Die erhöhte Dichte und Gewicht der Baumwollbäusche und Anzahl der Weizenähren m^-2 bzw. -körner pro Ähre bei Weizen, und die Kolbendichte und Anzahl der Körner pro Kolbe bei Mais führten zu höheren Erträgen. Bei BP war die Gesamt-NUE 42% höher bei Baumwolle, 12% bei Weizen und 82% bei Mais im Vergleich zu CT. Bei hohen Stickstoffgaben war die apparente positive N-Bilanz (N-Verlust) bei BP 71% niedriger im Baumwoll-/Weizen-/ Maissystem und 53% im System Baumwolle/Gründüngung /Baumwolle als bei CT.<br /> Das Belassen der Ernterückstände führte bei BP zu einem erhöhten Körnerertrag bei Weizen und Mais bei N-0, aber der Effekt war nichtsignifikant bei niedrigen bzw. hohen N-Mengen. Bei CT wurde bei keiner der N-Mengen eine Wirkung beobachtet. Bei BP führten die Rückstände zu einer um 45% bzw. 18% geringeren Zunahme der Bodenversalzung in den oberen 10 bzw. 90 cm des Bodens im Vergleich zu RH. Eine Winter-Gründüngung in der Baumwolle-Baumwolle-Rotation führte zu einer bedeutenden Abnahme der Grundwasserbelastung durch Nitrate sowie zu einer erhöhten NUE sowohl bei BP als auch bei CT.<br /> Die Bodenversalzung bei BP in den oberen Bodenschichten nahm bei EFI und ASFI signifikant zu im Vergleich zu PSFI. Letztere Methode ergab einen weniger versalzten Bereich in Richtung bewässerter Furche, weil sich das Salz in den permanent trockenen Furchen anreicherte. Diese erhöhten Salzmengen können ausgewaschen werden, wodurch die Versalzung in der Mitte zweier Pflanzbetten um ein Zweifaches reduziert wurde im Vergleich zu EFI und ASFI.<br /> Bei in Rotation angebauten Baumwolle, Weizen und Mais war BP mit Ernterückständen zusammen mit der jeweils empfohlenen N-Menge und mit ~15% unter den jeweiligen Empfehlungen liegenden N-Mengen in vielen Aspekten den CT Methoden überlegen. Anbau von Baumwolle auf erhöhten, permanenten Pflanzbetten zusammen mit einer Wintergründungung ist eine geeignete Alternative für Baumwolle- Baumwolle-Systeme in den bewässerten Trockengebieten von Usbekistan. Sollten Ernterückstände nicht verfügbar sein, ist PSFI eine geeignetes alternatives Bodenversalzungsmanagement bei BP auf versalzten bewässerten Flächen.