In den bewässerten Regionen Zentralasiens verringert die geringe Effizienz der Stickstoffdüngung (N) im Baumwoll- (Gossypium hirsutum L.) und Weizenanbau (Triticum aestivum L.) die Erträge und das Einkommen der Landwirte. Der derzeitige Einsatz von N-Düngern basiert auf Empfehlungen noch aus der Sowjetzeit. Damals wurde Dünger subventioniert, um mit allen Mitteln die landwirtschaftliche Produktion zu maximieren. Modernes N-Management muss den Landwirten ermöglichen, stabile Erträge von guter Qualität zu erzielen und dabei die Umwelt zu schonen. Die vorliegende Arbeit basiert auf Feldexperimenten, die 2004-2006 in der Region Khorezm in Usbekistan durchgeführt wurden. Darin werden (i) Baumwoll- und Weizenertrags- und -qualitätsfunktionen für die N-Düngung etabliert; (ii) die Düngeeffizienz offiziell empfohlener mit der von Landwirten praktizierter N-Düngung verglichen und evaluiert; (iii) mit Hilfe von CropSyst die Stickstoffdynamik in Böden und die Erträge unter variierenden N-Düngeraten, Bewässerungsmengen und Grundwasserständen simuliert ; und (iv) die finanzielle Machbarkeit dieser verschiedenen N-Praktiken bestimmt. Die Studie beinhaltete Experimente mit markiertem N-Dünger (15N) im Jahr 2005, um das Verbleiben des applizierten N-Düngers zu quantifizieren.
Obwohl N der limitierendste Nährstoff war, verlief die N-Ertragskurve für Baumwolle und Weizen mit zunehmenden N-Raten relativ flach, mit einem Ertragsmaximum von jeweils 120 und 180 kg N ha-1. Dies kann nicht erfasstem N-Eintrag von rund 30 kg ha-1 durch Grund- und Bewässerungswasser zugeschrieben werden. Die offiziellen N-Empfehlungen von 200 und 180 kg N ha-1 für Baumwolle und Weizen stimmen gut mit der gemessenen und simulierten N-Aufnahme für den maximalen Ertrag überein. Jedoch wird bei dieser N-Rate das Öffnen der Baumwollkapseln über den Zeitraum der Ernte hinaus verzögert, in welchem die Baumwollfabriken den höchsten Preis für Rohbaumwolle bezahlen.
Die gesamte N-Nutzungseffizienz war für beide Kulturen sehr hoch (81-84 %). Der große Anteil an Boden-15N (jeweils 48 und 47 %) weist darauf hin, dass Immobilisierungsprozesse und die Substitution des N-Pools im Boden die Wiederfindungsraten stark beeinflussen. Düngung gemäß der lokal gängigen Praxis führte zu höchsten Erträgen, jedoch zu etwa 22 % niedrigeren totalen 15N-Wiederfindungsraten (64 %). Für Weizen führte eine zusätzliche späte N-Applikation zum Zeitpunkt des Ährenschiebens zu höchsten Gesamt-15N-Wiederfindungsraten (52 und 53 % in Pflanzen und Boden). N-Düngung mit Diammoniumphosphat vor der Saat zeigte die höchste N-Nutzungseffizienz für Weizen und Baumwolle im Vergleich zu Ureadünger.
Die Baumwollfaserqualität war von niedrigster Kategorie (usbekische Klassifikation, d.h. 31 mm Länge, 25 g tex-1 Faserstärke, und 4,08 Micronaire) und blieb unbeeinflusst von N-Anwendung, Zeitpunkt der Applikation oder N-Düngeform. Trotz Düngung in empfohlener Höhe erwiesen sich die Protein- und Klebergehalte (jeweils 12,3 and 23,0 %) lediglich als von befriedigender und guter Qualität und als schlechte bis mittlere Mehlverbesserer. Zunehmende N-Raten erhöhten das Protein in den Körnern (15 % bei 300 kg N ha-1), jedoch nicht den Klebergehalt (25,0 % bei 300 kg N ha-1). Der Proteingehalt und der Ertrag waren negativ korreliert. Dies zeigt die Notwendigkeit der Züchtung oder Einführung von Weizensorten mit einem engeren, auf die Bewässerungslandwirtschaft Usbekistans zugeschnittenen Qualitäts- und Ertragspotenzialverhältnis.
Die generische Baumwollroutine, die für das CropSyst-Modell entwickelt wurde, prognostizierte die experimentellen Erträge mit hoher Genauigkeit. Die Simulationen zeigten, dass gasförmige N-Verluste durch die Absenkung des Grundwasserspiegels reduziert werden können. Eine Erhöhung der Baumwollerträge ohne zunehmende N-Verluste ist möglich, wenn Wasserbedarf und -verfügbarkeit besser aufeinander abgestimmt werden.
Für Baumwolle waren die Renditen der N-Investitionen am höchsten zu den von den Bauern praktizierten Düngezeitpunkten (1.069.332 UZS ha-1 Gewinn), und auch bei niedrigen N-Gaben, welche die schnelle Reifung der Baumwolle zur ersten und zweiten Pflücke stimulieren. Das ökonomische Optimum unterschied sich daher sowohl vom N-Bedarf der Pflanzen als auch von den offiziellen (höheren) Düngeempfehlungen. Die ökonomisch vielversprechendsten Weizenexperimente waren diejenigen, welche mit der empfohlenen N-Menge gedüngt wurden und jene, die eine zusätzliche N-Düngung kurz vor der Blüte erhielten (340.669 UZS ha-1 Gewinn). Jedoch fehlt dem Zahlungssystem der Weizenmühlen derzeit der qualitätsbezogene finanzielle Anreiz, um die Bauern zu motivieren, Weizen höherer Qualität zu erzeugen.
Das N-Management und die N-Nutzungseffizienz in der Baumwoll- und Weizenproduktion können durch Veränderungen im Zahlungssystem der Baumwollfabriken und Weizenmühlen verbessert werden. Die dort geschaffenen Anreize können zur nachhaltigen N-Düngepraxis anregen und gleichzeitig die Produktqualität erhöhen. Die Weizenqualität kann durch späte N-Düngeapplikationen oder durch bessere Sorten(züchtung) gesteigert werden. Das Model CropSyst konnte den Einfluss verschiedener landwirtschaftlicher Praktiken auf den Baumwollertrag und auf die Bodenparameter aufzeigen. Es kann somit helfen, Veränderungen im derzeitigen Mangementsystem anzuregen.
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