Development of nitrogen fertilization strategies in rice-wheat systems in southeastern China

Hofmeier, Maximilian

Das Reis-Weizen System ist eines der bedeutendsten Anbausysteme Chinas. Es ist geprägt durch eine sehr intensive Bewirtschaftungsweise mit hohen Dünger-N-Gaben, niedrigen N-Effizienzen und sehr hohen N-Überschüssen. Ziel dieser Arbeit war es, eine Analyse der landwirtschaftlichen Praxis bezüglich des N-Düngemanagements durchzuführen und hieraus angepasste Düngestrategien abzuleiten, um die N-Effizienz zu erhöhen und die potentiellen N-Verluste zu reduzieren. Hierfür wurden in zwei Regionen der Provinz Jiangsu Feldversuche über die Dauer von drei Doppelfruchtfolgen durchgeführt. In den Feldversuchen wurde die landwirtschaftliche Praxis und eine optimierte N-Düngestrategie bezüglich verschiedener agronomischer und pedologischer Parameter untersucht. Durch eine optimierte N-Düngestrategie, konnte an beiden Standorten bzw. Kulturen die N-Menge stark reduziert werden, ohne dass es zu einem Ertragsrückgang kam. Eine Reduzierung der N-Menge um 15-25% zum Reis bzw. um 20-30% zum Weizen wird empfohlen. Die N-Überschüsse konnten um 90-140 kg N/ha gesenkt und die betrachteten N-Effizienzen teilweise signifikant verbessert werden. Zusätzlich wurde in Nordjiangsu das Potential für eine nachhaltigere Behandlung der Erntereste untersucht, da es durch die häufig durchgeführte Verbrennung des Strohs zu C- und N-Verlusten und zu einem erheblichen Anstieg der Feinstaubkonzentrationen kommt. Während die Einarbeitung von Reisstroh keine negativen Einflüssen auf Kornertrag und Bestandsentwicklung zeigte, war die Einarbeitung des Weizenstrohs wegen der kürzeren Brachezeit zwischen den Kulturen mit Schwierigkeiten verbunden und kann potentiell zu einem Anstieg der Methanemissionen beitragen. Als eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der N-Verluste und Verbesserung der N-Effizienz wurde der Einsatz eines Nitrifikationsinhibitors (NI) in Nordjiangsu getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Wirksamkeit des NIs stark von den Wetterverhältnissen abhängig ist und sich zwischen den beiden Kulturen unterscheidet, mit einem deutlichen Effekt auf Kornertrag und N-Aufnahme beim Weizen und keinem Effekt beim Reis. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen das große Minderungspotential für die mineralische N-Düngung in der Reis-Weizen Doppelfruchtfolge in China. Es wurden optimierte N-Düngestrategien entwickelt und weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Umwelteinflüsse der Reis-Weizen Doppelfruchtfolge, wie den Einsatz eins NIs und die Möglichkeit der Stroheinarbeitung, aufgezeigt.

The rice-wheat system is one of the most important cropping systems in China. It is characterized by a highly intensive crop management with high fertilizer nitrogen (N) application rates, low N use efficiencies (NUE) and, thus, extremely high N balance surpluses. The aim of this thesis was to evaluate the current agricultural practice regarding N fertilizer management and deduct adapted N fertilizer strategies in order to increase the NUE and reduce the potential N losses. Therefore, on-farm field trials were conducted for three double crop rotations, in two regions in Jiangsu Province. In these field trials, the current agricultural practice was compared to an optimized N fertilization management with respect to several agronomic and pedologic parameters. The total N fertilizer application rate could be significantly reduced without yield decrease at both sites and for both crops. A reduction of the total N fertilizer amount by 15-25% and 20-30% is recommended for rice and wheat, respectively. The N balance surpluses could be reduced by 90-140 kg N/ha and the regarded NUEs were significantly enhanced with the optimized N fertilization practice. Further investigations were conducted in northern Jiangsu in order to investigate a more sustainable management of crop residues, because open field burning lead to C- and N-losses and an increase of particulate matter in the air. It could be shown, that the incorporation of rice straw could easily be performed without any negative effects on grain yield or crop establishment while the incorporation of wheat straw presents a considerably bigger challenge due to the very short fallow period between the two crops and it can potentially stimulate methane emissions. Additionally, the application of a nitrification inhibitor (NI) was tested as an specific option to enhance the NUE and reduce N losses in northern Jiangsu. The results showed that the efficiency of a NI is highly dependent on weather conditions and is different between the two crops, with a more pronounced effect on grain yield and N-uptake of wheat and no effect on rice. The results of this thesis clearly reveal a huge reduction potential for the mineral N fertilization in the rice-wheat cropping system in China. Optimized fertilization strategies were developed and with the investigation of the suitability of a NI and the potential for straw incorporation, further measures to reduce environmental impact of the rice-wheat system could be demonstrated.

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Hofmeier, Maximilian: Development of nitrogen fertilization strategies in rice-wheat systems in southeastern China. 2016.

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