Comparison of DRIS and critical level approach for evaluating nutrition status of wheat in District Hyderabad, Pakistan

Abstract

Intensive cropping systems, improper use of fertilizers or no fertilizer application, and unreliable and poor quality of irrigation water have led to declining soil fertility in the district of Hyderabad, Pakistan. To date, no comprehensive overview exists on the nutrient status of the soils in the region and on yield constraints due to mineral nutrient deficiencies or imbalances. The objectives of this study were to a) determine the nutritional factors limiting productivity of wheat in Hyderabad, Pakistan, b) compare the DRIS and critical level approach for evaluating nutrient deficiencies in wheat, and c) identify the most limiting nutrient(s) that should be applied to increase and stabilize the yield of wheat in the region. Farmers’ fields (181) were selected on the basis of a survey of wheat-growing areas. Low- and high-yielding areas for two vegetation seasons (2007-08 and 2008-09) with different crop production management were selected. Plant sampling of wheat was done for shoot material at GS-29 (tillering stage) and for leaf tissue at GS-39 (emergence of flag leaf; Zadok et al. 1974). Sample analysis included the determination of macronutrients (N, P, K) and micronutrients (Zn, Cu, Fe, Mn, and B). For yield estimates at harvest, data on grains per spike, number of spikelets and thousand-grain weight were collected. Yield data were divided into low-and high-yielding populations according to the Cate and Nelson (1971) procedure for partitioning. The mean value and coefficient of variance were calculated for DRIS norms. The selected DRIS norms were: N/P, N/K, N/Cu, N/Fe, N/Mn, N/Zn, N/B, P/K, P/Cu, P/Fe, P/Mn, P/Zn, P/B, K/Cu, K/Fe, K/Mn, K/Zn, K/B, Cu/Fe, Cu/Mn, Cu/Zn, Cu/B, Fe/Mn, Fe/Zn, Fe/B, Mn/Zn, Mn/B and Zn/B. The DRIS indices were established for N, P, K, Zn, Fe, Cu, and B of the low- and high-yielding populations. These indices were compared with the developed norms. The interpretation of the wheat nutrients was done using the nutritional balance index (NBI) approach. <br /> The average index value for N at GS-39 is +47.04, which indicates that N is sufficient in the leaf tissue. The values of P and K are 58.49 and 21.67, respectively. These positive values show that N, P and K are sufficient in the leaf tissue, and that the wheat plants do not require any additional fertilization. The micronutrients are almost in good balance, i.e., neither sufficient nor deficient except for Fe. The index value of Fe is -93, whereas the index values for Mn, Zn, Cu, and B are -21.88, +17.77, -1.38 and -28.68, respectively. The NBI is 56.45, which shows that there is no high nutritional imbalance. The interpretation of the data with respect to deficiency and adequate and moderate supply shows that all nutrients are adequately supplied with exception of Zn and B, which show high values. However, the average index values of the shoot material at GS-29 are different; here the value for N is -54.27, which indicates that N is deficient at this growth stage. The same applies to P and K. The micronutrient values, however, are positive. This indicates that these nutrients are not in short supply compared to the macronutrients. The NBI is 75.23, which shows some nutritional imbalance. <br /> According the results of the critical level approach, the average concentration of N in the leaf tissue at GS-39 is deficient (which is in contrast to the DRIS evaluation), whereas all other nutrients are adequate. The average nutrient concentration in the shoot material at GS-29 is similar to that in the leaf at GS 39. The DRIS calculation also indicates that N is in short supply at the early growth stage, whereas Mn and B are present in high concentrations. Statistically, the values in the critical level approach are non-significant compared to those of the DRIS. However, DRIS has an advantage, as the DRIS norms for the study area are similar at both studied growth stages, which makes the interpretation easier. It has to be stressed, though, that the DRIS only indicates nutrient supply in relation to the other nutrients. According to the DRIS evaluation, if the N supply is improved during early development, other nutrients may become yield limiting, e.g., P and K. The DRIS norms can provide guidelines for the policy makers in the region regarding recommendations for appropriate fertilizer application.

<strong>Vergleich von DRIS und der Methode der kritischen Konzentration für die Bewertung des Nährstoffstatus von Weizen im Distrikt Hyderabad, Pakistan</strong><br /> Intensive Anbausysteme, falscher bzw. kein Einsatz von Düngemitteln sowie unzuverlässige Bereitstellung und schlechte Qualität des für die Bewässerung eingesetzten Wassers haben zu einer abnehmenden Bodenfruchtbarkeit im Distrikt Hyderabad, Pakistan, geführt. Es gibt keinen umfassenden Überblick über den Nährstoffstatus der Böden in der Region oder über ertragsbegrenzenden Mangel oder Nährstoffungleichgewicht. Die Ziele dieser Studie waren a) die Nährstoff-Faktoren zu bestimmen, welche die Weizenproduktivität in Hyderabad, Pakistan, begrenzen, b) die DRIS Methode bzw. die „critical nutrient level Methode“ („CNL“) (kritische Konzentration) für die Bewertung von Nährstoffmangel bei Weizen zu vergleichen, und c) die am meisten begrenzenden Nährstoffe zu bestimmen, welche die Weizenerträge in der Region am meisten limitieren. 181 Praxisschläge wurden für eine Bestandsaufnahme in Weizenanbaugebieten ausgewählt. Die Schläge wurden unterteilt in Hoch- bzw. Niedrigertragsflächen für zwei Anbauperioden (2007-08 und 2008-09). Sprossproben wurden zum Wachstumsstadium GS-29 (Bestockung) und vom Blattgewebe zum Wachstumsstadium GS-39 (Erscheinen des Fahnenblatts; nach Zadoks et al. 1975) genommen. Die Proben wurden auf Makronährstoffe (N, P, K) und Mikronährstoffe (Zn, Cu, Fe, Mn, B) analysiert. Für die Ertragsbestimmung wurden zur Ernte die Anzahl an Körnern pro Ähre, die Anzahl der Ährchen und das 1000-Körnergewicht bestimmt. Die Ertragsdaten wurden vwerendet, um die Gesamtpopulation in Hochertrags- bzw. Niedrigertragspopulationen zu unterteilen nach der Methode von Cate und Nelson (1971). Mittelwert und Variationskoeffizient wurden für die DRIS-Normen berechnet. Die ausgewählten DRIS Normen waren: N/P, N/K, N/Cu, N/Fe, N/Mn, N/Zn, N/B, P/K, P/Cu, P/Fe, P/Mn, P/Zn, P/B, K/Cu, K/Fe, K/Mn, K/Zn, K/B, Cu/Fe, Cu/Mn, Cu/Zn, Cu/B, Fe/Mn, Fe/Zn, Fe/B, Mn/Zn, Mn/B und Zn/B. Die DRIS-Indizes wurden für N, P, K, Zn, Fe, Cu, und B für beide Populationen berechnet und mit den DRIS-Normen verglichen. Die Interpretation der Weizennährstoffe wurde auf der Grundlage des nutritional balance index (NBI) durchgeführt. <br /> Der durchschnittliche Index für N bei GS-39 ist +47.04; dies deutet daraufhin, dass N im Blattgewebe zu diesem Zeitpunkt ausreichend vorhanden ist. Die P- bzw. K-Werte betrugen 58.49 bzw. 21.67. Daraus folgt, dass N, P und K im Blattgewebe ausreichend vorhanden sind, und dass die Weizenpflanzen keine zusätzlichen Düngemittelgaben benötigen. Die Mikronährstoffe sind fast ausgewogen vorhandenmit Ausnahme von Fe. Der Index für Fe ist -93, während die Werte Mn, Zn, Cu, bzw. B -21.88, +17.77, -1.38 bzw. -28.68 betragen. Der NBI beträgt 56.45; dies weist auf eine noch weitgehend ausgewogene Nährstoffversorgung zum Zeitpunkt der Bestockunghin. Die Interpretation der Daten nach der CNL Methode weist auf hohe Zn und B Werte hin. Jedoch unterscheiden sich die durchschnittlichen Indizes zum zweiten Probenahmezeitpunkt; hier beträgt der N-Wert -54.27, das heißt, dass N in diesem Wachstumsstadium nicht mehr ausreichend vorhanden ist, ebenso P und K. Die Werte der Mikronährstoffe sind jedoch positiv. Dies deutet darauf hin, dass diese Nährstoffe im Verhältnis zur Makronährstoffversorgung ausreichend vorhanden sind. Der NBI beträgt 75.23, was auf ein Nährstoffungleichgewicht hindeutet. <br /> Die Ergebnisse der CNL Analyse ergaben (im Gegensatz zur DRIS Evaluierung), dass die durchschnittliche N-Konzentration im Blattgewebe zum Zeitpunkt GS-39 nicht ausreichend war, während alle anderen Nährstoffe ausreichend vorhanden sind. Die durchschnittliche Nährstoffkonzentration im Spross bei GS-29 ähnelt der des Blattgewebes zum Zeitpunkt GS-39. Die DRIS-Berechnung zeigt außerdem, dass N zum diesem Zeitpunkt nicht ausreichend vorhanden ist, während die Mn- und B-Konzentrationen hoch sind. Statistisch gesehen, sind die CNL Werte verglichen mit den DRIS-Werten nicht signifikant voneinander unterschieden. Jedoch hat der DRIS-Ansatz den Vorteil, dass die DRIS-Normen im zu beiden untersuchten Wachstumsstadien ähnlich sind. Dies erleichtert die Interpretation. Jedoch muss betont werden, dass das DRIS lediglich die Nährstoffversorgung im Verhältnis zu anderen Nährstoffen aufzeigt. Auf der Grundlage der DRIS-Auswertungen kann angenommen werden, dass die Verbesserung der N-Versorgungzu GS-39 zu einer Limitierung des Ertrags durch andere Nährstoffe führen könnte, wie zum Beispiel P und K. Die DRIS-Normen können Richtlinien für die politischen Entscheidungsträger in der Region hinsichtlich sachgerechter Düngung zur Verfügung stellen.