Präzises Bewässerungswasser- und Stickstoffmanagement verbessert die Wasser- und Stickstoffnutzungseffizienz in der konservierenden Landwirtschaft im Maisanbau

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12060 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wurde ein dreijähriges Feldexperiment durchgeführt, um die Gefahr der Erschöpfung des Grundwassers und die Nachhaltigkeit von Agrar- und Ernährungssystemen anzugehen. Unterirdisches Tropfbewässerungssystem (SDI) kombiniert mit Stickstoffmanagement unter konservierender Landwirtschaft (CA) Mais-Weizen-System (MWS) wirkt sich auf Ernteerträge, Bewässerungswasserproduktivität (WPi), Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) und Rentabilität aus. Die Getreideerträge von Mais, Weizen und MWS im SDI mit 100 % empfohlenem N waren um 15,8 %, 5,2 % bzw. 11,2 % deutlich höher als im konventionellen Furchen-/Flutbewässerungssystem (CT-FI). Die Wassereinsparungen bei der Systembewässerung (~ 55 %) und der mittlere WPi waren bei Mais, Weizen und MWS beim SDI-System höher als beim CT-FI-System. Bei Mais und MWS wurden 25 % des Stickstoffdüngers eingespart, während bei Weizen keine N-Einsparung beobachtet wurde. Die Nettoerträge von MWS waren unter SDI mit 100 % N (ohne Subvention) deutlich höher (265 USD) als im CT-FI-System, trotz höherer Produktionskosten. Die Nettorendite stieg um 47 %, wenn man einen Zuschuss von 80 % für die Verlegung des SDI-Systems berücksichtigt. Unsere Ergebnisse zeigten ein großes Potenzial der Ergänzung von CA durch SDI- und N-Management zur Maximierung von Produktivität, NUE und WPi, was in MWS im Trans-IGP Südasiens wirtschaftlich vorteilhaft und umweltverträglich sein kann.

Das Mais-Weizen-System ist das drittwichtigste Anbausystem (~ 2,90 Mio. ha) nach den Reis-Weizen- und Baumwoll-Weizen-Systemen1, das angesichts einer aufkommenden Wasserkrise in den Indoganges-Ebenen Südasiens Potenzial hat. Bei der herkömmlichen Hochwasserbewässerung in Reis geht ein großer Teil des Bewässerungswassers durch Verdunstung und Bodenversickerung verloren2,3. In den letzten Jahren hat die Maisanbaufläche im Nordwesten (NW) Indiens zugenommen, vor allem aufgrund günstiger Regierungsmaßnahmen zur Förderung des Maisanbaus, um wertvolles Bewässerungswasser und Stromkosten zu sparen4. Der Anbau von konventionellem Mais und Weizen auf einem flachen Feld erfordert 6–7 Bodenbearbeitungsvorgänge sowie eine Flutbewässerung, was einen hohen Energieaufwand und eine ineffiziente Nutzung von Bewässerungswasser und Düngemittelstickstoff (N) mit sich bringt und zu geringeren wirtschaftlichen Gewinnen führt5. Eine alternative Technik zur Wassereinsparung und zur Steigerung der Produktivität des Bewässerungswassers (WPi) und der Stickstoffnutzungseffizienz von Düngemitteln (NUE) besteht in der Umstellung auf Methoden der konservierenden Landwirtschaft (CA) auf Basis dauerhafter Hochbeete (Direktsaat und Strohmulchen), Bewässerungsplanung und Fertigation1. 6.

Im Mais-Weizen-System besteht eine große Herausforderung darin, die Produktivität zu steigern und die Anbaukosten zu senken. Die Einführung von furchenbewässerten Dauerhochbeeten erhöhte die Erträge (NUE), löste Arbeits- und Wasserprobleme und schonte die Umwelt7,8,9,10. Bei einem permanenten Hochbeet-Anbausystem werden sowohl Mais als auch Weizen auf 37,5 cm breiten Beeten mit 30 cm breiten Furchen gepflanzt, wobei frühere Ernterückstände auf der Bodenoberfläche zurückbleiben11. Frühere Studien zeigten, dass der Anbau von Mais auf permanenten Hochbeeten mit Rückhaltung der Rückstände zu einer Einsparung von 11 % beim Bewässerungswasser und einem um 16 % höheren WPi im Vergleich zum konventionellen Anbau führte8,12.

Die konservierende Landwirtschaft in Verbindung mit einer präzisen Wasser- und Nährstoffanwendung soll Möglichkeiten für eine Intensivierung der Getreidesysteme für einen dringend benötigten Wandel hin zur Umgestaltung der Agrar- und Ernährungssysteme in Südasien bieten. Die Schichtung von Tropfbewässerung in Kombination mit N-Düngung im CA-System könnte eine wirtschaftlich sinnvolle Wahl für Reihenkulturen wie Mais13,14,15 und Weizen15,16,17,18 sein, um WPi und NUE zu erhöhen. Die oberflächliche Tropfbewässerung ist aufgrund des komplexen Prozesses der Verankerung von Seitenleitungen zu Beginn und deren Entfernung nach der Ernte jeder Kultur erheblich eingeschränkt, da sie den Feldbetrieb während des Jahres beeinträchtigen. Im Gegensatz zur Oberflächentropfbewässerung reduziert das unterirdische Tropfbewässerungssystem (SDI) die Bodenverdunstung, ermöglicht eine bessere Zufuhr von Wasser und Düngemitteln direkt zur Pflanzenwurzelzone, um den Pflanzenbedarf zu decken und zu synchronisieren, was zu höheren WPi- und NUE-Werten führt, und spart außerdem Arbeit Kosten und ermöglicht normale Bodenbearbeitungspraktiken13,18,19. Die herkömmliche Oberflächenanwendung von N als Harnstoff fördert die Verflüchtigungsverluste von N, insbesondere wenn Ernterückstände als Mulch zurückgehalten werden20,21. Eine präzise N-Fertigation in mehreren Abschnitten durch SDI könnte die N-Verluste durch Auswaschung und Verflüchtigung reduzieren und dadurch den NUE in einem permanenten Mais-Weizen-Hochbeetsystem auf CA-Basis verbessern19,22,23. Somit wird die präzise N-Platzierung zusammen mit Bewässerungswasser in der aktiven Wurzelzone der Kulturpflanze über SDI NUE und WPi in einem CA-basierten permanenten Mais-Weizen-Hochbeetsystem verbessern.

Es liegen nur begrenzte Informationen über die Auswirkungen von SDI-Systemen auf Ertrag, Wasserproduktivität und NUE auf das CA-basierte jährliche Mais-Weizen-System vor. Pablo et al.24 und Douh und Boujelben25 berichteten von einem höheren WPi unter SDI im Vergleich zur Hochwasserbewässerung bei Mais. Jat et al.19 bewerteten das Potenzial von SDI unter einem CA-basierten Mais-Weizen-Mungbohnen-System (Vigna radiata) unter Verwendung von Flachbeetpflanzungen auf teilweise regeneriertem Boden und berichteten von einem signifikanten Anstieg von WPi und NUE unter SDI im Vergleich zu herkömmlicher Flutbewässerung Systeme. Ihrer Studie fehlen jedoch Informationen über die Reaktionen von Mais und Weizen auf unterschiedliche Stickstoffmengen, die durch SDI in einem permanenten Hochbeetsystem angewendet werden. Daher sind dringend detaillierte wissenschaftliche Informationen über die Wirkung der SDI-Methode auf die N-Reaktion, WPi und NUE in den Regionen mit starker Wasserknappheit und unüberlegtem Einsatz von N-Düngemitteln in CA-basierten permanenten Hochbeet-Mais-Weizen-Systemen im Nordwesten Indiens erforderlich . Wir stellten die Hypothese auf, dass CA-basierte Praktiken (permanente Hochbeetpflanzung und Strohmulchen) in Kombination mit dem SDI-System und der N-Fertigation auf verschiedenen Ebenen die Ernteerträge, WPi und NUE im Mais-Weizen-System erhöhen werden. Das Ziel unserer Studie bestand darin, die Auswirkungen des N-Gehalts auf Ernteerträge, Wassereinsparungen bei der Bewässerung, WPi, NUE und Wirtschaftlichkeit unter SDI in einem bewässerten Mais-Weizen-System in Kalifornien im Nordwesten Indiens zu bewerten.

Die Niederschläge für die Jahre 2015 (541 mm), 2016 (494 mm) und 2017 (444 mm) in der Maissaison lagen unter dem langjährigen Mittel (LTA) (Juni-Oktober) von 603 mm (Abb. 1). . Auch die Musterverteilung war während der drei Jahreszeiten recht unterschiedlich, mit geringen Regenfällen im Juni 2015, Juli 2017, August 2016 und 2017 sowie September 2017, während im Juli 2017 recht hohe Regenfälle verzeichnet wurden. Monatliche Pfannenverdunstung (E) während dreier Jahreszeiten Die Maissaison war im Allgemeinen mit der LTA vergleichbar (Abb. 1). Die Gesamtpfanne E im Juni-Oktober 2015 (785 mm), 2016 (784 mm) und 2017 (769 mm) war mit der von LTA (784 mm) vergleichbar. Die minimale monatliche Temperatur lag während der gesamten Vegetationsperiode 2015 und 2016 1–2 °C über der LTA (Abb. 2). Die maximale monatliche Temperatur entsprach normalerweise der LTA, mit Ausnahme eines höheren Werts im Juli 2016.

Monatliche mittlere Gesamtpfannenverdunstung und Niederschläge in den Jahren 2015–16, 2016–17, 2017–18 und die langfristigen Durchschnittswerte (1970–2014).

Monatliche mittlere Höchst- und Tiefsttemperaturen in den Jahren 2015–16, 2016–17, 2017–18 und die langfristigen Durchschnittswerte (1970–2014).

Die Gesamtniederschlagsmenge während der Weizensaison 2015–16 und 2016–17 (November–April) betrug 74 bzw. 46 mm (Abb. 1) und lag damit unter der LTA von 122 mm. Im Zeitraum 2017–18 entsprach die Gesamtniederschlagsmenge (130 mm) jedoch der LTA. Die gesamte Pfanne E betrug während der Weizensaison 600, 581 und 541 mm in den Jahren 2015–16, 2016–17 und 2017–18, verglichen mit der LTA (575 mm) (Abb. 1). Der mittlere monatliche Max- und Min-T-Wert war während der drei Studienjahre höher als der LTA, abgesehen davon, dass im März–April 2016 ein höherer Min-T-Wert und im März 2017 ein niedrigerer Max-T-Wert gemessen wurde (Abb. 2).

Für die Getreideerträge von Mais- und Weizenpflanzen wurden signifikante Wechselwirkungseffekte der Jahr-×-Behandlungen beobachtet, daher werden im folgenden Abschnitt jährliche Ertragsdaten erörtert.

Der Maiskörnerertrag ging im Laufe der Jahre unabhängig von den Behandlungen zurück. Sie war im Jahr 2015 (7,73 t ha–1) deutlich höher als 2016 (6,95 t ha–1) und 2017 (6,53 t ha–1). Der Maisertrag stieg mit zunehmender N-Rate bis zu 100 % der empfohlenen N-Rate (T4) im SDI-System in allen drei Jahren der Studie deutlich an. Der mittlere Kornertrag (gemittelt über 3 Jahre) war mit T4 um 132 % höher als mit der Kontrolle ohne N (T1) (Tabelle 1). Bei der empfohlenen N-Rate (100 % N) zeigten die 3-Jahres-Mittelwertdaten (Durchschnitt über 3 Jahre), dass der Maisertrag im SDI (T4) im Vergleich zum herkömmlichen FI-System (T5) deutlich höher war (16,0 %) (Tabelle 1). Der Kornertrag von Mais (3-Jahres-Mittel) mit 75 % der empfohlenen N-Dosis im SDI-System (T3) war ähnlich dem mit 100 % N im herkömmlichen FI-System und trug so zur Einsparung von 25 % N-Dünger bei. Interessanterweise deuteten die Interaktionseffekte (Jahr für Behandlung) darauf hin, dass sich der Maisertrag zwischen T3 und T5 im Jahr 2015 statistisch nicht unterschied, aber im Jahr 2016 und 2017 war der Maisertrag in T4 besser als in T3 und T5. Im Jahr 2017 war sogar der Maisertrag unter 75 % N mit SDI (T3) um 22 % höher als bei 100 % N mit Furchenbewässerung (T5) und dies war ähnlich wie bei 50 % N mit SDI (T2, Tabelle 1).

Der Weizenkornertrag war unabhängig von den Behandlungen im Zeitraum 2016–17 deutlich höher (5,12 t ha–1) als im Zeitraum 2017–18 (4,80 t ha–1), ging jedoch im Zeitraum 2015–16 erneut zurück (4,26 t ha–1) (Tabelle 1). ). In allen drei Studienjahren reagierte Weizen signifikant auf ausgebrachten N bis zu 120 kg ha–1 (100 % empfohlene N-Dosis) unter SDI im Mais-Weizen-System (Tabelle 1). Der Anstieg des Weizenertrags (gemittelt über 3 Jahre) betrug 173 % unter T4 im Vergleich zu keiner N-Kontrolle (T1). Es gab keine Einsparung von N durch SDI in Weizen, aber die 3-Jahres-Mittelwerte zeigen, dass das SDI-System dazu beitrug, in T4 einen deutlich höheren Ertrag von 5,1 % im Vergleich zu T5 zu erzielen (Tabelle 1). In den Jahren 2015–16 und 2016–17 war der Weizenkornertrag mit T4 deutlich um 6,9 bzw. 6,5 % höher als mit T5 bei ähnlichen Düngemittel-N-Mengen (Tabelle 1), während der Weizenertrag unter T4 und T5 in den Jahren 2017–18 ähnlich war . Interaktionsergebnisse (Jahr nach Behandlung) zeigten, dass der höchste Weizenkornertrag unter SDI mit 100 % N (T4) verzeichnet wurde, gefolgt von Furchenbewässerung mit 100 % N (T5) im Jahr 2016–17. Im Gegensatz zu Mais schnitt SDI mit 75 % N (T3) beim Weizenertrag schlechter ab als T5, außer in den Jahren 2016–17, wo beide gleichwertig waren.

Insgesamt unterschied sich der Systemertrag von Mais-Weizen (MW) zwischen den Jahren nicht (Tabelle 1), im Gegensatz zu einzelnen Kulturen, dies wurde durch den Mais- und Weizenertrag ausgeglichen. Die 3-Jahres-Durchschnittsdaten zeigen, dass sich der Gesamtertrag des MW-Systems zwischen den Behandlungen mit Ausnahme von T3 und T5 erheblich unterschied. Der höchste Kornertrag des Systems wurde unter T4 erzielt, der im Vergleich zu T3 und T5 um 2,0 % höher war (Tabelle 1). Auf Systembasis war der Ertrag unter T3 und T5 ähnlich, was zu einer Einsparung von 25 % des Düngemittels N führte. Es wurden keine Wechselwirkungen auf den Systemertrag beobachtet und der Systemertrag lag zwischen 5,69 und 14,98 Mg ha–1.

Das gesamte Bewässerungswasser für Mais war unabhängig von den Behandlungen im Jahr 2017 deutlich höher (195 mm) als 2016 (111 mm) und 2015 (108 mm) (Tabelle 1). Die N-Raten (T2-T4) zeigten einen nicht signifikanten Unterschied in der Gesamtbewässerungsmenge im Mais unter SDI (Tabelle 1). Dies lag daran, dass alle diese Behandlungen bei jeder Bewässerung die gleiche Wassermenge erhielten. Die durchschnittliche Einsparung an Bewässerungswasser betrug unter dem SDI-System 141 mm im Vergleich zum CT-System und war damit 56 % niedriger als später (Tabelle 1).

Ebenso war die gesamte Bewässerungswassermenge, die bei Weizen angewendet wurde, unabhängig von den Behandlungen in den Jahren 2017–18 (230 mm) deutlich höher als in den Jahren 2016–17 (205 mm) und 2015–16 (201 mm) (Tabelle 1). Die N-Raten (T3-T4) zeigten einen nicht signifikanten Einfluss auf die Gesamtbewässerungsmenge im Weizen unter SDI und waren signifikant höher als bei den T1- und T2-Behandlungen (Tabelle 1). Die durchschnittliche Bewässerungswassereinsparung bei Weizen betrug beim SDI-System 196 mm im Vergleich zum CT-System. Die Menge an Bewässerungswasser, die Weizen in T4 verabreicht wurde, war im Vergleich zu T5 im Durchschnitt um 53,0 % geringer (Tabelle 1).

Wie beim Mais- und Weizenanbau wurde im Zeitraum 2017–2018 die größte Menge an Bewässerungswasser ausgebracht (425 mm) und im Zeitraum 2015–16 am niedrigsten (309 mm). Die Einsparung beim Bewässerungswassereinsatz im Mais-Weizen-System betrug in T4 im Vergleich zu T5 während des Untersuchungszeitraums 54 % (Tabelle 1). Die durchschnittliche Bewässerungswassereinsparung im Mais-Weizen-System betrug beim SDI-System 337 mm im Vergleich zum CT-System (Tabelle 1).

Die Wechselwirkungen des Jahres nach Behandlungsergebnissen zeigten, dass in T5 im Zeitraum 2017–18 sowohl für Mais- als auch Weizenkulturen und auf Systemebene das höchste Bewässerungswasser ausgebracht wurde und im Zeitraum 2015–16 unter T1 am niedrigsten war.

Der WPi von Mais war unabhängig von den Behandlungen im Jahr 2015 deutlich höher (8,72 kg m–3) im Vergleich zu 2016 (7,08 kg m–3) und ging 2017 erneut weiter zurück (3,53 kg m–3) (Tabelle 1). Die 3-Jahres-Mittelwerte zeigen, dass der WPi von Mais in T4 im Vergleich zu T5 um das 2,9-fache höher war (Tabelle 1). Bei der SDI-Behandlung lag der WPi von Mais in T4 während der dreijährigen Versuchszeit zwischen 5,09 und 11,9 kg m–3 im Vergleich zu 2,16 bis 3,56 kg m–3 in T5 (Tabelle 1). Der WPi von Mais war in T4 in den Jahren 2015, 2016 und 2017 deutlich um das 3,3-, 2,8- und 2,4-fache höher als in T5 (Tabelle 1).

Wie bei Mais war der WPi von Weizen unabhängig von den Behandlungen in den Jahren 2016–17 (2,57 kg m–3) deutlich höher als in den Jahren 2015–16 (2,21 kg m–3) und 2017–18 (2,30 kg m–3) (Tabelle 1). ). Die 3-Jahres-Mittelwerte zeigen, dass der WPi von Weizen in T4 im Vergleich zu T5 deutlich um das 2,2-fache höher war (Tabelle 1). Der WPi von Weizen im SDI-System (T4) lag im dreijährigen Experiment zwischen 3,21 und 3,56 kg m-3 im Vergleich zu 1,32–1,90 kg m-3 in T5 (Tabelle 1). Der WPi von Weizen in T4 war im Vergleich zu T5 in den Jahren 2015–16, 2016–17 und 2017–18 um das 2,24-, 1,87- und 2,48-fache signifikant höher (Tabelle 1). Der WPi des Mais-Weizen-Systems war unabhängig von den Behandlungen im Jahr 2015 deutlich höher (4,30 kg m–3) im Vergleich zu 2016 (4,05 kg m–3), ging jedoch im Jahr 2017 erneut zurück (2,89 kg m–3) (Tabelle 1). Die 3-Jahres-Mittelwerte zeigen, dass der WPi des Mais-Weizen-Systems in T4 im Vergleich zu T5 deutlich um das 2,4-fache höher war (Tabelle 1). Der systembasierte WPi in T4 war im Vergleich zu T5 in den Jahren 2015, 2016 und 2017 deutlich um das 2,56-, 2,18- und 2,52-fache höher (Tabelle 1).

Die Korn-N-Aufnahme von Mais war in beiden Jahren ähnlich (Tabelle 2). Allerdings war sie im Zeitraum 2016–17 im Vergleich zu 2017–18 bei Weizen deutlich höher (11,4 %) (Tabelle 2). Die Korn-N-Aufnahme von Mais und Weizen stieg mit zunehmender N-Rate im SDI-System deutlich an (Tabelle 2). Bei der 100-prozentigen N-Behandlung mit SDI (T4) war die Getreide-N-Aufnahme bei Mais und Weizen im Vergleich zum herkömmlichen FI-System (T5) um 30,2 bzw. 15,6 % (2-Jahres-Mittel) signifikant höher (Tabelle 2). Das SDI-System zeigte im Mittel der zweijährigen Daten keinen signifikanten Einfluss auf die Korn-N-Aufnahmeeffizienz (NupEG) in Mais und Weizen bei unterschiedlichen N-Raten (Tabelle 2). Bei gleicher N-Rate war NupEG in Mais in SDI (T4) signifikant (p < 0,05) um 44,0 % höher als in T5 (Tabelle 2). Der entsprechende Anstieg des Weizenkorn-NupEG in T4 im Vergleich zu T5 betrug 22,0 %. Die Gesamt-N-Aufnahme von Mais und Weizen (2017–18) stieg mit zunehmender N-Rate im SDI-System deutlich an (Tabelle 1s). Bei der 100-prozentigen N-Behandlung mit SDI (T4) war die Gesamt-N-Aufnahme bei Mais und Weizen im Vergleich zum herkömmlichen FI-System (T5) um 44,0 bzw. 17,2 % signifikant höher (Tabelle 1s). Das SDI-System zeigte bei unterschiedlichen N-Raten keinen signifikanten Einfluss auf die NUE in Mais und Weizen (2017–18) (Tabelle 1). Bei der 100 % N-Behandlung mit SDI (T4) war der NUE bei Mais und Weizen im Vergleich zum herkömmlichen FI-System (T5) um 67,7 bzw. 24,6 % signifikant höher (Tabelle 1s).

Die agronomische Stickstoffeffizienz (AEN) von Mais und Weizen nahm im Allgemeinen signifikant ab (p < 0,05), wenn die N-Rate auf bis zu 75 % der empfohlenen N-Rate (T3) anstieg. Die 3-Jahres-Mittelwertdaten zeigten, dass die AEN bei Mais in T4 im Vergleich zu T5 signifikant höher war (31,5 %) (Tabelle 2). Der AEN in Weizen war unabhängig von den Behandlungen in den Jahren 2015–16 im Vergleich zu 2016–17 und 2017–18 deutlich höher (Tabelle 2). Die 3-Jahres-Mittelwertdaten zeigten, dass die AEN bei Mais in T4 im Vergleich zu T5 signifikant höher war (8,4 %) (Tabelle 2).

Die Beziehungen zwischen Düngemittel-N-Mengen und Getreideertrag von Mais und Weizen lassen sich am besten durch quadratische Funktionen beschreiben (Abb. 1s). Die Regressionsgleichungen, der Regressionskoeffizient, die optimale N-Dosis (OD) und die wirtschaftlich optimale N-Dosis (EOD) sind in (Tabelle 3) dargestellt. Die OD von N zur Erzielung des maximalen Ertrags und die EOD betrugen 140 kg N ha–1 bzw. 138 kg N ha–1 für Mais (Tabelle 3). Die entsprechenden Werte für Weizen lagen bei 225 kg N ha–1 bzw. 221 kg N ha–1 (Tabelle 3).

Es gab einen signifikanten Unterschied im Ammoniak-N-Gehalt zwischen verschiedenen Behandlungen in allen Bodentiefen (Abb. 3a). Der NH4-N-Gehalt variierte von 1,2 bis 3,5 (0–7,5 cm), 1,2 bis 3,7 (7,5–15 cm) bzw. 1,2 bis 2,3 mg kg–1 (15–30 und 30–45 cm) Bodentiefe (Abb . 3a). Der NH4-N-Gehalt war in T4 in Bodentiefen von 0–7,5 und 7,5–15 cm signifikant höher als in T5, wohingegen er in T5 in Bodentiefen von 15–30 cm signifikant höher war als in T4. Ebenso gab es einen signifikanten Unterschied im Nitrat-Stickstoff-Gehalt bei verschiedenen Behandlungen in allen Bodentiefen (Abb. 3b). Der NO3-N-Gehalt variierte von 7,5 bis 14,0 (0,7,5 cm), 5,9 bis 8,8 (7,5–15 cm), 1,2 bis 5,9 (15–30 cm) und 1,2 bis 4,7 mg kg–1 in 30–45 cm Bodentiefe (Abb. 3b). NO3–N war in T4 signifikant höher als in T5. In ähnlicher Weise wurde unter T4 im Vergleich zu T5 in allen Bodentiefen ein höherer mineralischer N-Gehalt (NH4–N + NO3–N) gefunden (Abb. 3c).

Einfluss der Stickstoffrate und der Tropfdüngung auf (a) Ammoniakstickstoff (NH4–N); (b) Nitratstickstoff (NO3–N) und (c) mineralischer N in verschiedenen Bodentiefen nach Weizen 2017–18 im Mais-Weizen-System in Kalifornien. Vertikale Balken geben den Standardfehler (SE) innerhalb jeder Behandlung an. Einzelheiten zur Behandlung finden Sie in Tabelle 5.

Die wirtschaftliche Rentabilität spielt bei der Betrachtung von Pflanzenbewirtschaftungspraktiken eine entscheidende Rolle. Betrachtet man Szenario 1 mit einer Subvention für Strom sowie einer Subvention von 80 % für ein Tropfsystem, waren die variablen Produktionskosten sowohl für Mais als auch für Weizen in CA-basierten SDI-Parzellen (T4) um 47 US-Dollar niedriger als bei konventionellem Mais -Weizensystem (T5) (Abb. 4a). Unter T5 waren die höheren variablen Kosten im Vergleich zu SDI auf höhere Arbeits- und Treibstoffkosten für die Saatbettbereitung sowohl bei Mais als auch bei Weizen zurückzuführen. In Szenario 2 ohne Subventionen für Strom und Tropfsystem waren die variablen Produktionskosten für Mais und Weizen bei der SDI-Behandlung (T4) um 18 bzw. 12 US-Dollar höher als bei T5 (Abb. 4a). Die hohen variablen Kosten unter T4 waren hauptsächlich auf hohe Tropfkosten zurückzuführen. Die Bruttoerträge bei Mais waren unabhängig von den Behandlungen im Jahr 2015 im Vergleich zu 2016 und 2017 deutlich um 8,2 bzw. 10,3 % höher (Abb. 4b). Die 3-Jahres-Mittelwerte zeigen, dass die Bruttoerträge bei Mais in T4 im Vergleich zu konventionellem FI (T5) deutlich höher waren (16,1 %) (Abb. 4b). Die Bruttoerträge bei Weizen waren unabhängig von den Behandlungen im Zeitraum 2016–17 um 24,8 % deutlich höher als im Zeitraum 2015–16 (Abb. 4c). Die 3-Jahres-Durchschnittsdaten zeigen, dass die Bruttoerträge bei Weizen in T4 im Vergleich zu T5 deutlich höher waren (3,4 %) (Abb. 4c).

Variable Produktionskosten (a) und Bruttoertrag (in US-Dollar) bei Mais (b) und Weizen (c) unter verschiedenen Bewirtschaftungspraktiken eines unterirdischen Tropfbewässerungssystems. Vertikale Balken geben den Standardfehler (SE) innerhalb jeder Behandlung an. Einzelheiten zur Behandlung finden Sie in Tabelle 5.

Betrachtet man Szenario 1 mit einer Subvention für Strom sowie einer 80-prozentigen Subvention für ein Tropfsystem, waren die Nettoerträge aus dem Mais- und Mais-Weizen-System in drei Jahren nicht signifikant unterschiedlich (Tabelle 4). Die Nettoerträge bei Weizen waren unabhängig von den Behandlungen im Zeitraum 2016–17 um 35,1 % deutlich höher als im Zeitraum 2015–16 (Tabelle 4). Ähnlich verlief die Entwicklung der Nettoerträge in Mais-, Weizen- und Mais-Weizen-Systemen für Szenario 2 (Tabelle 4). In Szenario 1 zeigen die 3-Jahres-Durchschnittsdaten, dass die Nettorenditen im Mais-, Weizen- und Mais-Weizen-System unter T4 deutlich um 27,9, 8,5 bzw. 17,6 % höher waren als im konventionellen FI (T5) (Tabelle 4). Im Szenario 2 betrug der entsprechende Anstieg 22,6, 3,6 bzw. 12,7 % im Mais-, Weizen- und Mais-Weizen-System (Tabelle 4).

Betrachtet man Szenario 1 mit Subventionen für Strom und 80 % Subventionen für ein Tropfsystem, betrug das Nutzen-Kosten-Verhältnis (B:C) für das SDI-System 3,47 im Vergleich zu 2,64 für T5 (Tabelle 4). In Szenario 1 zeigen die 3-Jahres-Mittelwerte, dass das B:C-Verhältnis bei Mais und Weizen unter T4 im Vergleich zu konventionellem FI (T5) deutlich um 42,3 bzw. 23,8 % höher war (Tabelle 4). Betrachtet man Szenario 2 ohne Subventionen für Strom und Tropfsystem, betrug das B:C-Verhältnis für das SDI-System 2,38 im Vergleich zu 2,20 für T5 (Tabelle 4). In Szenario 2 zeigen die gepoolten 3-Jahres-Daten, dass das B:C-Verhältnis bei Mais unter T4 im Vergleich zu konventionellem FI (T5) deutlich um 18,1 % höher war (Tabelle 4). Die Nettoerträge und das B:C-Verhältnis von SDI werden noch gleichmäßiger sein, wenn die Subvention von 80 % auf 25 % reduziert wird.

Der Maiskörnerertrag wurde deutlich durch das saisonale Niederschlagsverteilungsmuster beeinflusst. Beispielsweise war der im Jahr 2017 unter T5 beobachtete starke Rückgang des Maisertrags möglicherweise auf stärkere Niederschläge (191 mm) im August zurückzuführen, verglichen mit 166 bzw. 89 mm in den Jahren 2015 und 2016, die sich aufgrund vorübergehender Überschwemmungen negativ auf das Maiswachstum auswirkten. Viele Forscher8,26,27 berichteten über einen höheren Maisertrag bei permanenter Hochbeetpflanzung mit Rückstandmulch im Vergleich zur CT-Frischbeetanordnung ohne Mulch auf fein strukturierten und sandigen Lehmböden, da Mais unter Frischbeetsystemen aufgrund von Bodenkrustenbildung und schlechtem Boden unter Staunässe litt Belüftung. Der größere negative Effekt von Überschwemmungen auf den Maisertrag in T5 kann auch auf die geringere Infiltrationsrate zurückgeführt werden, die üblicherweise im Frischbeet-CT-System im Vergleich zum CA-basierten Mais-Weizen-System beobachtet wird19,28. Im Gegensatz dazu beobachteten Jat et al.29 und Ram et al.30 aufgrund der hohen Infiltrationsrate von lehmigem Sandboden nicht signifikante Unterschiede im Kornertrag von Mais auf permanenten Hochbeeten und Frischbeeten. In einer kürzlich durchgeführten Studie verzeichneten Jat et al.19 ähnliche Maiserträge unter Hochwasserbewässerungs- und SDI-Systemen, letztere erhielten jedoch 25 % weniger Dünger-N im CA-basierten Mais-Weizen-Mungbohnen-System (Vigna radiata Lamm) unter nahezu klimatischen Bedingungen ähnlich wie in der vorliegenden Studie. Die Maisleistung hängt auch vom saisonalen Wetter und den klimatischen Schwankungen ab. In gut verteilten und normalen Niederschlagsjahren sind beide Systeme ähnlich, aber bei unregelmäßigen und starken Regenfällen und längeren Dürreperioden schneiden die permanenten Beete besser ab als frische Beete8,26,27 . Lamm und Trooien31 sowie Tarkalson et al.32 aus semiariden Regionen von Nebraska, USA, berichteten über ähnliche oder höhere Maiserträge mit SDI im Vergleich zur Flutbewässerung, da Wasser und Stickstoff genau dem Pflanzenbedarf zugeführt wurden. Das höhere Korngewicht im Jahr 2015 im Vergleich zu 2017 trug zu einem höheren Maiskörnerertrag im ersten Jahr bei (Tabelle 2s). Es liegen jedoch keine Informationen zum Getreideertrag bei unterschiedlichen N-Dosierungen mit SDI vor. Der höhere Maisertrag unter 100 % N unter SDI könnte auf die N-Ausbringung in der Wurzelzone durch Fertigation und tiefe Platzierung zurückzuführen sein, wodurch auch die N-Verluste reduziert werden, wodurch auch der Pflanzenbedarf synchronisierter gedeckt wird. Der Anstieg des Weizenertrags im Zeitraum 2016–17 könnte auf günstigere Wetterbedingungen im Vergleich zum ersten Jahr zurückzuführen sein. Beispielsweise waren die Höchst- und Tiefsttemperaturen im März 2016–17 im Vergleich zu 2015–16 und 2017–18 um 1,5 bis 4,4 °C niedriger. Aryal et al.33 und Gupta et al.34 berichteten, dass das Wetter bei der Bestimmung des Weizenkornertrags unter ähnlichen Ökologien von großer Bedeutung ist. Gupta et al.34 zeigten in ihrer Studie einen Anstieg des Weizenertrags, wenn die Tagestemperatur in dem jeweiligen Jahr während der Kornfüllphase um 2,2–3,3 °C niedriger war als in anderen Jahren. Je höher der Av. Das Korngewicht und die Körner pro Ähre trugen im Zeitraum 2016–17 im Vergleich zu anderen Jahren zu einem höheren Weizenkornertrag im zweiten Jahr bei (Tabelle 2s). Unsere Ergebnisse stimmen mit früheren Forschern16,17,18,19 überein, die bei SDI ähnliche oder höhere Weizenerträge im Vergleich zur Flutbewässerung auf mittel- bis feinstrukturierten Böden berichteten. Der höhere Gesamtsystem-WEY im ersten und zweiten Jahr im Vergleich zum dritten Jahr war entweder auf einen höheren Mais- oder Weizenkornertrag im ersten und zweiten Jahr zurückzuführen. Die höhere Gesamtsystemproduktivität (WEY) unter SDI könnte auf die vorteilhaften Auswirkungen von CA-Praktiken auf das Pflanzenwachstum und die bessere Synchronisierung der Split-N-Fertigation und des N-Bedarfs der Pflanzen in verschiedenen Wachstumsstadien sowohl bei Mais als auch bei Weizen zurückzuführen sein. Eine bessere Wasser- und N-Versorgung durch SDI führte im Vergleich zum herkömmlichen FI-System zu höheren Erträgen bei Mais und Weizen, da die N-Verluste reduziert und die Verfügbarkeit von Bewässerungswasser verbessert wurden. Zu ähnlichen Beobachtungen kamen auch Lu et al.15; Li et al.35 und Yolcu und Cetin36 unter SDI in Mais- und Weizenkulturen.

Die höhere Einsparung von Bewässerungswasser beim SDI-System im Vergleich zum CT-System könnte auf die gleichmäßige Verteilung des Bewässerungswassers in der Wurzelzone bei SDI zurückzuführen sein, die Verdunstungs- und Versickerungsverluste minimiert, sowie auf weitere zusätzliche Vorteile, die durch das Mulchen von Ernterückständen in Dauerbeeten erzielt werden Systeme. Forscher23,37,38 berichteten von großen Einsparungen beim Bewässerungswasser bei der SDI-Behandlung sowohl bei Mais- als auch bei Weizenkulturen aufgrund geringer Entwässerungs- und Verdunstungsverluste. Unsere Ergebnisse stützten die Ergebnisse früherer Studien19,23,31,39, die eine Reduzierung des Bewässerungswasserverbrauchs um 23 bis 55 % und einen erhöhten WPi im Vergleich zu herkömmlicher FI zeigten. Der Anstieg des WPi wird sowohl auf höhere Ernteerträge als auch auf die Einsparung von Bewässerungswasser zurückgeführt. Frühere Studien19,23 zeigten auch eine Reduzierung des Bewässerungswasserverbrauchs bei Weizen unter SDI um 32–53 % im Vergleich zu herkömmlichen Hochwassersystemen. Unsere Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen von Chen et al.16, Sidhu et al.18 und Jat et al.19 überein, die SDI in Weizen unter Reis-Weizen- und Mais-Weizen-Anbausystemen verwenden. Das Zurückhalten von Ernterückständen an der Oberfläche bei CA-basiertem Weizen und Mais unter SDI (T4) könnte auch dazu beigetragen haben, die Bodenfeuchtigkeit durch eine Verringerung des Verdunstungsverlusts zu bewahren und so den Bewässerungswasserbedarf zu senken29,37,38,40.

Unsere Daten zeigten deutlich höhere NupEG-Werte in Mais (67–75 %) und Weizen (76–88 %) auf permanenten Hochbeeten mit SDI im Vergleich zum CT-Flutbewässerungssystem, wie von Ladha et al.41 berichtet. Ebenso wurde in den Jahren 2017–18 ein höherer NUE-Wert bei Mais (108 %) und Weizen (87 %) auf permanenten Hochbeeten mit SDI im Vergleich zum CT-Flutbewässerungssystem (64–69 %) beobachtet. Bar-Yosef42 berichtete, dass der NUE-Wert unter SDI bis zu 90 % betragen könnte, verglichen mit 40–60 % bei herkömmlichen Düngemittelausbringungsmethoden. Unsere Daten zeigten, dass es bei Mais und im WEY-System zu einer Einsparung von 25 % N-Dünger kam, da N im SDI-System in fünf gleichen Teilungen in der Wurzelzone ausgebracht wurde, verglichen mit der Ausbringung in zwei gleichen Teilungen im konventionellen FI System. Das SDI-System reduzierte möglicherweise die N-Verluste durch Auswaschung, Ammoniakverflüchtigung und Denitrifikation, da kleine N-Dosen in mehreren Teilbereichen in der Nähe der Wurzelzone zusammen mit kleinen Mengen Bewässerungswasser ausgebracht wurden19,36. Laut Majeed et al.10 und Sandhu et al.23 können die geringeren N-Verluste bei Mais und Weizen unter permanenten Hochbeeten zu einer höheren Rückgewinnungseffizienz des ausgebrachten N im Vergleich zur konventionellen Flachpflanzung führen. Die höheren Getreideerträge von Mais und Weizen unter SDI führten zu deutlich höheren AEN unter T4 im Vergleich zu T5. Die höhere N-Aufnahme im SDI-System war im Vergleich zu herkömmlichen FI-Systemen mit einer höheren Biomasseproduktion und einem geringeren Verlust an ausgebrachtem Dünger verbunden. Jat et al.19 und Sandhu et al.23 berichteten über einen signifikanten Anstieg von AEN und NUE unter Tropfbewässerung im Vergleich zu herkömmlichen FI-Systemen in Mais-Weizen-Systemen. Yadvinder-Singh et al.21 schlugen vor, dass sowohl der Zeitpunkt als auch die Methode der N-Anwendung wichtig sind, um den NUE-Wert unter Strohmulchbedingungen zu erhöhen. Li et al.43 berichteten, dass SDI den Maiskörnerertrag durch eine erhöhte Nährstoffaufnahme der Pflanzen und eine verringerte Ammoniakverflüchtigung steigerte. Eine Reduzierung des Einsatzes von N-Düngemitteln durch eine Erhöhung des NUE würde zu einer erheblichen Verringerung der N2O-Emissionen bei der Herstellung und Anwendung von N-Düngemitteln führen44. Die OD von Düngemittel-N für Mais in SDI betrug 140 kg ha–1 im Vergleich zum empfohlenen N im herkömmlichen FI-System (150 kg ha–1). Das SDI-System sparte somit etwa 7 % des Düngemittels N ein und ermöglichte ein höheres Ertragspotenzial bei Mais. Der EOD-Wert für das SDI-System hat sich im Vergleich zu OD aufgrund des niedrigen subventionierten Preises für Harnstoff N nicht wesentlich verändert. Die OD- und EOD-Werte für Weizen sind im Vergleich zu Mais höher. Die OD- und EOD-Werte für Weizen liegen außerhalb der experimentellen Grenzwerte und daher ist es falsch, sie hier zu diskutieren. Die Auswirkung der Fertigation bei der Tropfbewässerung auf NupEG kann unterschätzt werden, wenn Bewässerungswasser eine erhebliche Menge an NO3-N enthält, da bei SDI im Vergleich zu herkömmlicher FI der Einsatz von Bewässerungswasser erheblich reduziert wird. Frühere Studien45,46,47 berichteten über einen weiten Konzentrationsbereich von NO3-N (0 bis 40 mg NL–1) im Grundwasser Nordwestindiens. Das in unserer Studie verwendete Bewässerungswasser trug jedoch eine geringe Menge N bei (Daten nicht angegeben). Der höhere NO3-N-Wert in T4 als in T5 kann darauf zurückzuführen sein, dass das Wasser bei der SDI-Methode aufgrund leichter und häufiger Bewässerung nicht in tieferen Tiefen versickert. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen unserer Studie berichteten Yuvarajan und Mahendran48 über höhere verfügbare Nährstoffe (NPK) bei der 100 % empfohlenen Düngemittelbehandlung in den Bodenproben nach der Ernte unter SDI im Vergleich zum Hochwasserbewässerungssystem bei Bananen.

Höhere Ernteerträge gepaart mit niedrigen Bodenbearbeitungs- und Arbeitskosten führten im SDI-System (T4) zu den höchsten Nettoerträgen im Vergleich zum konventionellen (T5) Mais-Weizen-System. Betrachtet man Szenario 1 mit einer Subvention für Strom sowie einer Subvention von 80 % für ein Tropfsystem, waren die höheren Brutto- und Nettoerträge im Mais 2015 im Vergleich zu anderen Jahren auf höhere Maiskörnererträge im Jahr 2015 zurückzuführen Der Weizen aus den Jahren 2016–17 im Vergleich zu Weizen aus den Jahren 2015–16 war auf einen höheren Weizenkornertrag in den Jahren 2016–17 zurückzuführen. Die geringeren Nettoerträge bei der No-N-Kontrolle (T1) im Weizen 2015–16 waren auf einen geringen Weizenkornertrag (Tabelle 1) in Verbindung mit einem geringeren MSP des Weizens 2015–16 zurückzuführen (Abschnitt „Wirtschaftliche Analyse“). Im Reis-Weizen-System berichteten Sidhu et al.18 über einen um 29,8 % höheren Nettogewinn für das SDI-System mit 80 % Subvention gegenüber den Einnahmen des konventionellen Systems (Hochwasserbewässerung). In ähnlicher Weise berichteten Jat et al.19, dass SDI in einem CA-basierten Mais-Weizen-System eine um 5,4 % höhere Rentabilität im Vergleich zum herkömmlichen System (Flutbewässerung) lieferte.

Diese Studie zeigte, dass mit SDI Ernteerträge erzielt werden können, die denen herkömmlicher Hochwasserbewässerung und der empfohlenen N-Management-Praktiken in den subtropischen Regionen ähneln oder sogar darüber liegen. Bei der empfohlenen N-Rate von 100 % waren die Mais- und Weizenerträge (Mittelwert über drei Jahre) unter dem SDI-System um 15,7 bzw. 5,2 % höher als bei der herkömmlichen FI-Behandlung. Die Reaktion des Kornertrags von Mais und Weizen auf die Anwendung von Düngemittel N wurde am besten durch quadratische Reaktionsfunktionen im SDI-System beschrieben. Der Bewässerungs-WP unter SDI war bei Mais und Weizen um 183 bzw. 120 % höher als bei herkömmlicher FI-Behandlung. In ähnlicher Weise verbesserte sich der NUE-Wert im Mais-Weizen-System unter SDI im Vergleich zu den herkömmlichen FI-Systemen erheblich, wobei 25 % Düngemittel-N im Mais eingespart wurden. Die Nettoerträge aus dem in Kalifornien ansässigen Mais-Weizen-System mit SDI-Schichtung lieferten 17,6 % (mit 80 % Subventionierung auf SDI) höhere Nettoerträge als die des herkömmlichen FI-Systems. Insgesamt führte die Kombination von CA mit SDI in einem Mais-Weizen-System zu einem höheren Ertrag, WPi, NUE und Nettoerträgen als die herkömmliche FI und kann in anderen Teilen Südasiens übernommen werden. Zukünftige Forschung sollte durchgeführt werden, um die N-Umwandlungen im Boden zu verstehen und die N-Verlustmechanismen im Rahmen von SDI zu quantifizieren, um wirksame Fertigationsstrategien zur weiteren Erhöhung des NUE zu entwickeln. Das Potenzial der Verwendung von SDI für andere Nährstoffe (z. B. P, K und Mikronährstoffe) zur Erzielung einer hohen Produktivität und Nährstoffnutzungseffizienz in den Mais-Weizen-Systemen in verschiedenen agroklimatischen Zonen muss untersucht werden.

Der Versuchsstandort am Borlaug Institute for South Asia (BISA), Ladhowal (30,99° nördlicher Breite, 75,44° östlicher Länge, 229 m über dem Meeresspiegel), Punjab, Indien, wo ein halbtrockenes subtropisches Klima herrscht. Auf den heißen, trockenen Sommer im März-Juni folgt die Monsunzeit von Ende Juni bis Mitte September und der Winter im Oktober-Februar; 80 % des jährlichen Niederschlags (durchschnittlich 734 mm) fallen während der Monsunzeit. Die Bodentextur (0–15 cm Schicht) ist ein typischer Haplusschritt mit Lehm (34 % Sand und 46 % Schluff). Die Neigung des Gebietes beträgt 0,2–0,4 %. Die Werte für pH (1:2 Boden:Wasser), elektrische Leitfähigkeit, Walkley-Black organisches C, NaHCO3-extrahierbares P und NH4OAc-extrahierbares K betrugen 8,4, 0,53 dS m–1, 7,5 g kg-1, 21,8 mg kg –1 bzw. 191 mg kg–1. Die Werte von Zn, Fe, Mn und Cu betrugen 1,35, 13,0, 2,25 bzw. 1,52 mg kg–1. Die Gehalte an Ca, Mg und S betrugen 80,0, 24,0 bzw. 74,6 mg kg–1. Die Infiltrationsrate und die Wasserhaltekapazität betrugen 6,75 mm h–1 bzw. 23,3 % (auf Trockengewichtsbasis). Zu Beginn des Experiments betrug die Schüttdichte der 0–10 cm dicken Bodenschicht 1,47 Mg m-3. Das Experiment wurde drei Jahre lang durchgeführt (2015–16, 2016–17 und 2017–18), und vor diesem Experiment befand sich der Standort in den letzten drei Jahren im Mais-Weizen-System.

Der tägliche Niederschlag, die maximale Temperatur (Max T) und die minimale Temperatur (Min T) wurden täglich mit einer am Versuchsstandort installierten Davis-Wetterstation (Davis Vantage Pro 2 Weather Station) gemessen (Produkthandbuch Davis Instrument Corp.).

Es wurde ein Hochbeet-Pflanzsystem mit 0,675 m breiten Beeten (von mittlerer Furche zu mittlerer Furche) eingerichtet und die Pflanzen wurden auf einer 0,375 m breiten Oberseite gepflanzt. Nach der Weizenernte im April 2014 wurde im Mai 2014 das SDI-System eingeführt. Um die bisherigen Resteffekte der Mais-Weizen-Behandlungen in Versuchsparzellen aufzuheben, wurden die allgemeinen Ernten von Mais (2014) und Weizen (2014–15) erhöht Stabilisierung der Dauerhochbeete vor Versuchsbeginn im Juni 2015.

In diese Studie wurden fünf Behandlungen einbezogen, Einzelheiten sind in Tabelle 5 aufgeführt. In jeder Saison wurde ein randomisiertes vollständiges Blockdesign mit drei Wiederholungen verwendet. Die Größe jedes Grundstücks betrug 81 m2 (2,70 m × 30 m).

Im Juni 2013 wurde mit einem Scheibenpflug ein Saatbett für Mais vorbereitet, gefolgt von zwei Durchgängen des Grubbers und einer lasergestützten Planiermaschine zur Einebnung des Feldes. In der ersten Juniwoche 2013 wurden frische Hochbeete mit einer von einem Allradtraktor angetriebenen Beetpflanzmaschine (National Agro Industries, Ludhiana, Punjab, Indien) vorbereitet und Mais mit der empfohlenen Düngemitteldosis (120) auf die Beete gesät kg N als Harnstoff + 26 kg P als Di-Ammoniumphosphat + 50 kg K als Kalisalz ha–1) in der letzten Juniwoche und in der zweiten Oktoberwoche 2013 geerntet Parzellen für die Behandlungen T1 bis T4 und als permanente Hochbeete für die nächste Weizenernte bezeichnet. In T5 wurden in jeder Saison frische Beete vorbereitet, die nach der Ernte vor der Aussaat der nächsten Weizenernte abgebaut wurden. Eine Reihe Mais wurde in der Mitte der Beetoberseite in einem Abstand von 20 cm zwischen den Pflanzen gesät, während auf jedem Beet zwei Reihen Weizen mit einem Abstand von 20 cm gepflanzt wurden. In T5 wurden die Beete nach der Maisernte abgebaut und konventioneller Ackerweizen mit 22,5 cm Reihenabstand auf Flachbeeten gepflanzt. Die permanenten Hochbeete wurden nie gestört, aber die Furchen wurden einmal im Jahr (vor der Aussaat der Maisernte) leicht umgeformt, ohne die Beetform zu stören. Für alle Arbeiten wurde ein 4-Rad-Traktor mit schmalen Reifen eingesetzt, um die Bewegung nur in den Furchen einzuschränken.

In den Behandlungen T1 bis T4 wurde der reife Mais manuell oberhalb der Maiskolbenhöhe geerntet und von den Parzellen entfernt, während der verbleibende ~ 50 %-Anteil der unteren Stoppeln erhalten blieb, der in T1 durchschnittlich 2,5, 4,6, 5,0 und 5,5 t ha–1 betrug , T2, T3 bzw. T4 Darüber hinaus trägt die Beibehaltung von 50 % des Maisstrohs auf dem Feld dazu bei, mehr Pflanzennährstoffe zu recyceln, verglichen mit der Entfernung des gesamten Maisstrohs. Die gesamte N-Zugabe durch Maisstoppeln betrug 14, 32, 38 bzw. 43 kg ha–1 in T1, T2, T3 und T4. Weizen wurde manuell in 20–22 cm Höhe über dem Boden geerntet und die Strohstoppeln betrugen 0,8, 1,5, 1,8 und 2,0 t ha-1 in T1, T2, T3 und T4, je nach N-Dosis in verschiedenen Behandlungen. Bei der konventionellen Bodenbearbeitung (T5) wurden sowohl Mais als auch Weizen manuell in Bodennähe geerntet und die gesamte Biomasse von den Parzellen entfernt.

Das SDI-System aus Polyethylen-Seitenteilen (Innendurchmesser 16 mm) wurde in der Mitte jedes permanenten Hochbeets platziert. Basierend auf der Standardisierung und den Erkenntnissen zur optimalen Tiefe des SDI-Systems (Daten nicht gemeldet) wurde für die Erleichterung langfristiger Bodenbearbeitungsvorgänge eine seitliche Tiefe von 20 cm als optimal für das Mais-Weizen-System auf permanenten Hochbeeten angesehen. Die in dieser Studie verwendeten Seitenleitungen hatten Reihenstrahler mit einem Abstand von 30 cm und einer Kapazität von 2,0 l/h bei einem Druck von 135 kPa für die gesamte Benetzung einer Parzellenfläche. Der seitliche Abstand betrug somit 67,5 cm (kompatibel mit der Beetbreite) und lag bei einer Tiefe von 20 cm (jede Seite in der Mitte jedes Beetes), sowohl für Mais als auch für Weizen (Abb. 5). Somit versorgte jede Tropfleitung 1 Reihe Mais und 2 Reihen Weizen auf permanenten Hochbeeten. Die unterirdischen Tropfleitungen wurden mit einer Tropfverlegemaschine18 verlegt. Hydrozyklonfilter und Venturi-Injektor wurden gemäß Sidhu et al.18 verwendet.

(a) Eine Reihe Mais und (b) Zwei Reihen Weizen auf jedem Dauerbeet mit unterirdischem Tropfbewässerungssystem.

Mais- und Weizenkulturen wurden mit Röhrentensiometern bewässert, die mit einem SoilSpec®-Vakuummessgerät überwacht wurden, das in jeder Parzelle in einer Bodentiefe von 20 cm installiert war. Tensiometer, die gemäß Gupta et al.34 installiert wurden, wurden regelmäßig jeden Morgen zwischen 9:00 und 10:00 Uhr abgelesen. Alle Parzellen erhielten Bewässerung (70 mm bei Hochwasser und 10 mm bei SDI-Behandlungen) im V8-10-Stadium (21–25 DAS). ) auf alle Maisbehandlungen und 70 mm in T5 vor der zweiten Aufteilung der Harnstoffanwendung bei 40–45 DAS (wenn es keinen Niederschlag gab). Weitere Bewässerungen wurden immer dann durchgeführt, wenn das durchschnittliche Bodenmatrixpotential der Behandlungsfläche auf – 50 ± 1 kPa sank. Die gemeinsame Bewässerung (70 mm bei konventioneller Flutbewässerung und 10 mm bei SDI-Behandlungen) wurde bei allen Weizenbehandlungen im Stadium der Kronenwurzelinitiierung (CRI) (21–25 DAS) angewendet, und 70 mm bei konventioneller Flutbewässerung (T5) nur davor die zweite Düngergabe. Wie bei Mais wurden zusätzliche Bewässerungen durchgeführt, wenn das durchschnittliche Bodenmatrixpotential der Behandlungsparzelle auf –35 ± 1 kPa sank. Bei der T5-Behandlung wurde ein PVC-Rohr zur Bewässerung verwendet. Die Spülmenge war in allen drei Wiederholungen jeder Behandlung gleich. Weitere Einzelheiten zur Pflanzenbewirtschaftung werden nachstehend beschrieben.

Frischbeetparzellen (T5) wurden vor der Bodenbearbeitung mit etwa 75 mm Wasser bewässert. Zur Saatbettbereitung für Mais und Weizen wurden zwei Durchgänge mit Scheibenscheiben und ein Grubber gefolgt von zwei Beplankungen bei einem Feuchtigkeitsregime der Feldkapazität von etwa 75 % verwendet. Die Maishybride P3396 wurde am 17. Juli 2015, 18. Juni 2016 und 17. Juni 2017 mit einer Saatmenge von 20 kg ha–1 in einer Tiefe von 3–5 cm mit einer Doppelscheibensämaschine mit Schrägtellersaat ausgesät Dosiermechanismus (Dasmesh Mechanical Works, Punjab, Indien). Bei der Pflanzung wurde eine Grunddüngerdosis von 26 kg P und 50 kg K ha–1 unter Verwendung von Di-Ammoniumphosphat (einfaches Superphosphat ohne N-Kontrolle) bzw. Kalisalz ausgebracht. Der insgesamt ausgebrachte N entsprach den N-Werten (T2-T5), wobei 24 kg N ha-1 als Di-Ammoniumphosphat und der restliche N als Harnstoff ausgebracht wurden. In T5 wurde der verbleibende (126 kg N ha–1) Harnstoff N in zwei gleichen Teilen 21–25 Tage nach der Aussaat (DAS) und 40–45 Tage nach der Aussaat ausgebracht. Unter SDI wurde der verbleibende N als Harnstoff in 5 gleichen Teildosen in Abständen von 10 Tagen, beginnend bei 20 DAS, verabreicht und die Harnstoffmenge wurde anhand der N-Werte in jeder Behandlung (T2 bis T4) berechnet. Die Maisernte wurde am 25. Oktober 2015, 6. Oktober 2016 und 8. Oktober 2017 manuell geerntet. Bei allen Behandlungen zur Bekämpfung der breitblättrigen Unkräuter wurde das Herbizid Atrataf 50WP (Atrazin @ 1,25 kg ha−1) angewendet. Die Schädlingsbekämpfung erfolgte durch den Einsatz von Decis (Deltamethrin) bei 200 ml ha−1 in allen Behandlungen.

In der konventionellen Bodenbearbeitungsparzelle (T5) erfolgte nach der Maisernte eine Vorbewässerung (~ 75 mm), bevor das Saatbett für Weizen vorbereitet wurde. Nach dem Abbau frischer Maisbeete wurde ein herkömmliches flaches Saatbett für Weizen mit jeweils zwei Arbeitsgängen aus Scheibenschneiden, Bodenbearbeitung und Beplankung vorbereitet. Weizen (HD 2967) wurde mit einem Turbo Happy Seeder49 in einer Menge von 100 kg ha–1 in einer Tiefe von 3–5 cm ausgesät. Die Weizenaussaat erfolgte am 10. November 2015, 29. Oktober 2016 und 31. Oktober 2017. Wie Mais erhielt auch Weizen eine ähnliche Grunddosis an P und K. Die insgesamt ausgebrachte N-Menge entsprach jedoch den N-Werten (T2-T5), von denen 24 kg N ha–1 als DAP und der restliche N ausgebracht wurden als Harnstoff, mit Ausnahme des Diagramms ohne Stickstoff, in dem P als einzelnes Superphosphat angewendet wurde. In T5 wurde der verbleibende (96 kg N ha–1) Dünger N vor der Bewässerung in zwei gleichen Teilen bei CRI (21–25 DAS) und der maximalen Bestockungsstufe bei 40–45 DAS ausgebracht. Im Rahmen von SDI wurde N ab dem 21. Tag der Aussaat in fünf gleichen Teilen verabreicht und entsprechend den Stickstoffbehandlungen jeweils im Abstand von 10 Tagen ausgebracht. Die manuelle Ernte der Weizenkulturen (ca. 10–12 cm über dem Boden) erfolgte am 16. April 2016, 13. April 2017 und 16. April 2018. Die Nachauflaufherbizide Topik (Clodinapop 15 % WP) bei 400 g ha−1 und Algrip (Metsulfuron)@25 g ha−1) wurde bei allen Behandlungen bei 25–30 DAS angewendet. Die Schädlingsbekämpfung erfolgte durch die Verwendung von vorsorglichen Sprays von Propiconazol bei 500 ml ha-1 und Dimethoat 30 % EC bei 500 ml ha-1 bei allen Behandlungen.

Die bei jeder Behandlung aufgetragene Wassermenge wurde mit einem Wasserzähler (Dasmesh Mechanical Works, Punjab, Indien) gemessen, der an der Zufuhrleitung in der Nähe des Versuchsbereichs angebracht war. Der gesamte Bewässerungsaufwand (mm) für jede Kultur wurde bestimmt. Die Bewässerungswasserproduktivität (WPi) für Mais und Weizen wurde als Verhältnis des Getreideertrags zum insgesamt verwendeten Bewässerungswasser berechnet.

Der Kornertrag (bei Reife) wurde durch manuelle Ernte einer Fläche von 8,1 m2 (4 Beete und 3 m Reihenlänge bei Beetsystemen und 12 Reihen und 3 m Reihenlänge bei Flachweizen) in der Mitte jeder Parzelle auf Bodenhöhe bestimmt . Der Getreidefeuchtigkeitsgehalt wurde nach dem Trocknen der Teilproben in einem Ofen bei 60 °C bis zur Gewichtskonstanz bestimmt. Der Getreideertrag wurde auf 14,5 % (Mais) und 12 % (Weizen) Kornfeuchtigkeit eingestellt und als Mg ha-1 ausgedrückt. Das durchschnittliche Korngewicht basierte auf dem Gewicht von 100 bzw. 1000 Körnern, die aus den gedroschenen Kornunterproben von Mais bzw. Weizen ausgewählt wurden. Die durchschnittlichen Körner pro Kolben/Spitze wurden aus zufällig ausgewählten 10 Kolben/Spitzen ermittelt. Die Ährendichte (m-2) bei Weizen wurde bei jeder Behandlung zum Zeitpunkt der Reife an zwei Standorten (1 m Reihenlänge) gemessen. Der jährliche Gesamtertrag des Mais-Weizen-Systems wurde durch Addition des Maisertrags zum Weizenertrag ermittelt.

Zum Zeitpunkt der Reife wurde die Gesamt-N-Konzentration in den Getreide-Unterproben der Jahre 2016–17 und 2017–18 sowie in den Stover/Stroh-Unterproben der Jahre 2017–18 durch H2SO4-HClO4-Aufschluss und Analyse des Gärrests mit der Mikro-Kjeldahl-Methode bestimmt. Der NUE wurde wie folgt berechnet.

Die agronomische Effizienz des eingesetzten N (AEN) wurde wie folgt berechnet:

Die Korn-N-Aufnahmeeffizienz (NupEG) wurde wie folgt berechnet:

Zur Berechnung der Effizienz der Korn-N-Aufnahme bei der T5-Behandlung wurde die N-Aufnahme für kein N-Grundstück (T1) verwendet, wobei geringe Unterschiede in der N-Aufnahme zwischen SDI- und konventionellen Bodengrundstücken angenommen wurden.

Die N-Nutzungseffizienz (NUE) basierend auf der gesamten N-Aufnahme wurde wie folgt berechnet:

Die Gesamt-N-Aufnahme sowohl in Getreide als auch in Stover/Stroh wurde bestimmt, um NUE zu berechnen, ähnlich wie oben für NupEG erklärt.

Bewässerungswasser, das geringe Konzentrationen an NH4-N (0,30 mg L–1) und NO3-N (0,40 mg L–1) enthält, daher wurden die Bewässerungs-N-Eingabedaten bei der Berechnung des NUE nicht berücksichtigt.

Während quadratische Antwortgleichungen (Y = a + bx + cx2) für Mais und Weizen unter Verwendung von SigmaPlot 15.0 entwickelt wurden, wobei Y der Kornertrag (Mg ha-1) von Mais oder Weizen ist; x ist die N-Menge (kg ha–1); und a, b und c sind Konstanten der quadratischen Antwortgleichung.

Die optimale N-Dosis und die wirtschaftlich optimale N-Dosis wurden aus den quadratischen Reaktionsgleichungen berechnet, wie von Fausti et al.50 beschrieben. Der Marktwert der Kosten für N als Harnstoff wurde mit 0,15 kg-1 US-Dollar angenommen, und die vorherrschenden Marktpreise für Mais und Weizen lagen 2017–18 bei 195 Mg-1 bzw. 238 Mg-1 US-Dollar.

Bei der Weizenernte 2017–18 wurden von allen Versuchsparzellen Bodenproben in Tiefen von 0–7,5, 7,5–15, 15–30 und 30–45 cm entnommen. Mineralischer N wurde mit 2 M KCl-Lösung aus den frischen Bodenproben extrahiert. Zur Bestimmung von NH4-N und NO3-N in 2 M KCl-Extrakten wurde die Mikro-Kjeldahl-Wasserdampfdestillation verwendet51. Die Daten wurden hinsichtlich des Bodenfeuchtigkeitsgehalts korrigiert.

Um die Wirtschaftlichkeit des SDI-Systems zu berechnen, wurde eine Teilbudgetierung durchgeführt, wie von Sidhu et al.18 erläutert. Bei den Nettogewinnen handelte es sich um die Mehreinnahmen, die sich aus der Nutzung des SDI-Systems in unserem Teilhaushalt ergaben. Die Betriebs- und Betriebskosten (variable Kosten) für den Anbau der Kulturpflanze sind in Tabelle 6 aufgeführt. In der wirtschaftlichen Analyse wurden die Fixkosten wie Bodenwert und Zinsen nicht berücksichtigt. Als Preise wurden die staatlich garantierten Mindeststützungspreise (MSP) für Mais (182, 187 und 195 US-Dollar Mg-1 in den Jahren 2015, 2016 und 2017) und Weizen (209, 223 und 238 US-Dollar Mg-1 im Jahr 2015) verwendet –16, 2016–17 bzw. 2017–18). Dieses Haushaltsblatt wurde gemäß Empfehlung des Department of Economics der Punjab Agricultural University (PAU), Ludhiana, Indien, erstellt (Tabelle 6). Die Anzahl der Arbeiter wurde unter Berücksichtigung von 8 Arbeitsstunden berechnet, was einem Personentag entspricht, der für alle agronomischen Praktiken erforderlich ist, wie in Sidhu et al.18 beschrieben. Ebenso wurde die Zeit (h), die eine von einem Traktor gezogene Maschine/ein Gerät benötigt, um eine Feldarbeit wie Bodenbearbeitung, Aussaat und Ernte abzuschließen, aufgezeichnet und als h ha−1 ausgedrückt. Um die Bewässerungskosten zu berechnen, wurden sowohl in SDI- als auch in Flutbewässerungsflächen nach 10-minütigem Betrieb des Rohrbrunnens die Anfangs- und Endableseeinheiten des Stromzählers notiert. Der Preis für 1 kW Strom wird mit 0,11 US-Dollar angenommen. Die benötigte Zeit für die Bewässerung von 1 cm bzw. 5 cm in SDI- und Flutbewässerungsflächen betrug 53 Minuten bzw. 60 Minuten. Für die Bewässerungskosten wurden die Stromgebühren mit 2,15 US-Dollar bzw. 8,22 US-Dollar ha-cm–1 für Tropf- und Überschwemmung berechnet. Die Anzahl der Bewässerungen lag während der dreijährigen Studie unter SDI zwischen 7 und 17 für Mais und 17 bis 18 für Weizen. Die Arbeitskosten pro Person und Tag betrugen 4,79 US-Dollar. Die Kosten der Tropfbewässerung, ihre Lebensdauer und die Abschreibungskosten waren dieselben wie in Sidhu et al.18 erläutert. Die Bruttoerträge umfassten Einnahmen aus dem Verkauf von Getreide und Stroh sowohl aus Mais- als auch aus Weizenkulturen. Die Bruttorenditen wurden unter Verwendung des marktüblichen Mindeststützungspreises (MSP) für Mais- und Weizenkörner berechnet (Tabelle 6). Die Berechnungen der Nettorendite (NR) erfolgten nach Sidhu et al.18. In Szenario 1 (mit Subvention) wurden die Parameter Strom und 80 % Subvention für ein Tropfsystem berücksichtigt, während es in Szenario 2 (ohne Subvention) keine Subvention für Strom und Tropfsystem gab. Ein US-Dollar entsprach indischen Rs. 73/- basierend auf dem Wechselkurs.

Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Die Normalität der Daten wurde mit dem Softwarepaket SAS 9.2 (SAS Institute, Cary, NC) getestet und die Normalitätsannahme der ANOVA wurde vollständig erfüllt, eine Datentransformation war nicht erforderlich. In dieser Studie haben wir das Verfahren befolgt, um statistische Modelle für die Datenanalyse für das randomisierte vollständige Blockdesign (RCBD) in festen Parzellen zu erstellen, das für Experimente mit festen Parzellen mit der Komplexität von Bodenbearbeitung und Management vorgeschlagen wird: Behandlung und Jahr, zusammen mit innerhalb- Jahresreplikation52. Die Analyse erfolgte mithilfe einer vollständigen Zwei-Faktor-Varianzanalyse (ANOVA). Bei den Behandlungen handelte es sich um feste Effekte, die zufällig den Parzellen zugeordnet wurden. „Jahr“ war ein wiederholter Faktor; Dies wurde mit dem Behandlungsmodell kombiniert, indem der Begriff „Jahr + Behandlung x Jahr“ eingeführt wurde. „Replikation“ war eine randomisierte Einheit, daher haben wir sie unter zufälligem Einfluss gehalten, indem wir Replikationsinteraktionen in alle Behandlungen einbezogen haben. Das endgültige Modell wurde mit der JMP-Software getestet.

Alle variablen Mittelwerte wurden unter Verwendung der ehrlichen signifikanten Differenz von Tukey bei p = 0,05 verglichen, wobei signifikante Behandlungsmittelwerte durch Buchstaben des Alphabets getrennt wurden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Indian Council of Agricultural Research (ICAR) aufrichtig für die Window-3-Finanzierung von CIMMYT für Conservation Agriculture-Forschung. Die One CGIAR Integrated Initiative Excellence in Agronomy (EiA: https://www.cgiar.org/initiative/11-excellence-in-agronomy-eia-solutions-for-agricultural-transformation) zur Unterstützung langfristiger Experimente und zur Transformation von Agrarlebensmitteln Systeme in Südasien (TAFSSA; _https://www.cgiar.org/initiative/20-transforming-agrifood-systems-in-south-asia-tafssa). Wir danken auch dem Borlaug Institute of South Asia (BISA) für die Bereitstellung der Forschungseinrichtungen für die Durchführung reibungsloser Langzeitexperimente.

Naveen Gupta

Aktuelle Adresse: Punjab Agricultural University, Ludhiana, Punjab, 141004, Indien

Mangi L. Jat

Aktuelle Adresse: International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics (ICRISAT), Hyderabad, Indien

Borlaug Institute for South Asia (BISA), CIMMYT, Ladhowal, Punjab, 141004, Indien

Naveen Gupta, Yadvinder Singh, Love K. Singh, Kajod M. Choudhary und Harminder S. Sidhu

ICAR-Central Soil Salinity Research Institute (CSSRI), Karnal, 132001, Indien

Hanuman S. Jat

Internationales Zentrum zur Verbesserung von Mais und Weizen (CIMMYT), Dhaka, Bangladesch

Mahesh K. Gathala

International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), NASC Complex, Pusa, Neu-Delhi, 110012, Indien

Mangi L. Jat

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Korrespondenz mit Mahesh K. Gathala oder Mangi L. Jat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gupta, N., Singh, Y., Jat, HS et al. Präzises Bewässerungswasser- und Stickstoffmanagement verbessert die Wasser- und Stickstoffnutzungseffizienz in der konservierenden Landwirtschaft in den Mais-Weizen-Systemen. Sci Rep 13, 12060 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38953-6

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Eingegangen: 30. März 2023

Angenommen: 18. Juli 2023

Veröffentlicht: 26. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38953-6

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