Eine hohe N-Verfügbarkeit verringert die N-Aufnahme und den N-Ertrag bei begrenzter Wasserverfügbarkeit im Mais

Apr 13, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14269 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wasser und Stickstoff (N) sind weltweit die am stärksten einschränkenden Faktoren für die Pflanzenproduktivität, aber uns fehlt ein kritisches Verständnis darüber, wie sich die Wasserverfügbarkeit auf die N-Dynamik in landwirtschaftlichen Systemen auswirkt. Der N-Bedarf der Pflanzen ist besonders ungewiss, wenn die Wassermenge begrenzt ist, da Wasser und N sich gegenseitig auf das Pflanzenwachstum, den N-Bedarf und die Pflanzenaufnahme auswirken. Wir untersuchten die Auswirkungen der N-Anwendung und der Wasserverfügbarkeit auf das Pflanzenwachstum und die N-Bewegung, einschließlich ober- und unterirdischem Wachstum, Wasserproduktivität, N-Produktivität, N-Aufnahme, N-Rückgewinnung und Treibhausgasemissionen in einem semiariden System im Nordosten Colorados, USA. Eine mäßig hohe N-Verfügbarkeit im Boden verringerte den Kornertrag und das Sprosswachstum sowohl bei begrenzter als auch bei voller Wasserverfügbarkeit, obwohl keine Hinweise auf physikalische Toxizität vorlagen, und ging mit einem zusätzlichen Risiko schädlicher N-Verluste einher. Bei geringer N-Verfügbarkeit zeigten die pflanzlichen N-Konzentrationen in oberirdischen Geweben eine größere N-Rückgewinnung als bei den Behandlungen mit niedrigem N-Gehalt sowohl bei voller als auch bei begrenzter Wasserverfügbarkeit. Diese verbesserte Erholung unterstreicht die Notwendigkeit, sowohl die Nahrungssuche im Pflanzenboden als auch die Prozesse, die die Ressourcenverfügbarkeit unter diesen Bedingungen steuern, besser zu verstehen. Schließlich verringerte die begrenzte Wasserverfügbarkeit die N-Aufnahme bei allen N-Behandlungen und hinterließ am Ende der Saison 30 % mehr Bodennitrat (NO3−) tief im Bodenprofil als bei voller Wasserverfügbarkeit. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der N-Bedarf der Pflanzen nicht linear mit der Wassernutzung zusammenhängt, und unterstreichen die Notwendigkeit eines integrierten Verständnisses der Wasser- und N-Wechselwirkungen, der pflanzlichen Nahrungssuche nach diesen Ressourcen und der Dynamik von Prozessen, die N für Pflanzen verfügbar machen.

Die sinkende Wasserverfügbarkeit in der Landwirtschaft in Verbindung mit der steigenden Nahrungsmittelnachfrage lässt darauf schließen, dass die Effizienz der landwirtschaftlichen Wassernutzung unbedingt verbessert werden muss1. Aufgrund der hohen Düngemittelkosten und zahlreicher negativer Auswirkungen auf die Umwelt, einschließlich der Verschlechterung der Wasserqualität und der Treibhausgasemissionen, besteht gleichzeitig die Notwendigkeit, den Stickstoffeintrag zu optimieren2. Mais (Zea mays) ist eine weltweit wichtige Kulturpflanze, die häufig durch die Wasser- und Stickstoffversorgung begrenzt ist. Im Osten Colorados ist Mais die vorherrschende Bewässerungspflanze. Allerdings belasten die Erschöpfung des Grundwassers, die schwankende Schneedecke und der steigende städtische und industrielle Wasserbedarf die Wasserversorgung in der gesamten Region3,4,5,6. Da Wasser- und N-Management-Herausforderungen häufig gleichzeitig auftreten, sind Studien, die diese Faktoren gleichzeitig berücksichtigen, vielversprechend für die Verbesserung der Ressourcennutzungseffizienz und die Reduzierung der Umweltauswirkungen.

Der Zeitpunkt der Wasserverfügbarkeit wirkt sich auf die Wasserproduktivität der Pflanzen aus (Pflanzenertrag pro Wassereinheit, die von der Pflanze verbraucht wird), da die Pflanzenreproduktion oft empfindlicher auf Wasserbeschränkungen in bestimmten Wachstumsstadien reagiert, beispielsweise bei der Bestäubung und beim Samenansatz7,8,9,10. Umgekehrt wird festgestellt, dass die Maiskörnererträge weniger beeinträchtigt werden, wenn Wassereinschränkungen während der Vegetationsphase auftreten, insbesondere in der späten Vegetationsphase nach der Etablierung der Pflanze, und das anfängliche Wachstum gesichert ist7, 8. Wassereinschränkungen und deren Zeitpunkt wirken sich jedoch auch auf die Entwicklung des Spross- und Wurzelsystems aus , was sich wiederum auf den N-Bedarf der Anlage auswirken kann.

Der N-Bedarf der Pflanzen ist ungewiss, wenn das Wasser begrenzt ist, da Wasser und N sich gegenseitig auf das Pflanzenwachstum, den N-Bedarf der Pflanze und die Pflanzenaufnahme auswirken. Beispielsweise weisen Pflanzen, die unter begrenzter Wasserverfügbarkeit wachsen, in der Regel eine geringere vegetative Biomasse auf, insbesondere im Verhältnis zum Wurzelsystem, da die Zellausdehnung in Trieben empfindlicher auf Wasserbeschränkungen reagiert als in Wurzeln11. Diese daraus resultierende Verschiebung der Wurzel-Spross-Zuordnung kann umgekehrt den N-Bedarf der Pflanzen verringern und gleichzeitig die Nahrungssuche nach Bodenressourcen erhöhen. Gleichzeitig hängt die Fähigkeit der Wurzeln, N aufzunehmen, von der Wasserverfügbarkeit ab12, sodass eine geringere Bodenfeuchtigkeit möglicherweise die N-Aufnahme behindern könnte. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um das N-Management von Mais mit begrenztem Wasserverbrauch zu optimieren13,14,15,16,17 und um die N-Reduzierung zu bestimmen, die bei maximalem Wachstum und Ertrag bei begrenztem Wasserverbrauch möglich ist. Allerdings ist es nicht einfach, die optimale Reduzierung der N-Anwendung für Mais unter Wasserbegrenzung zu bestimmen, da einige Studien darauf hindeuten, dass die zusätzliche N-Ausbringung während der Wasserbegrenzung den Maiskörnerertrag und die Wassernutzungseffizienz steigern kann14, 18, 19, 20.

Das Wassermanagement spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal von N-Düngemitteln in der Umwelt, indem es die N-Bewegung und -Umwandlung im Boden verändert21,22,23,24. Eine verringerte Bodenfeuchtigkeit kann die N2O-Emissionen aus dem Boden verringern25. Wenn Pflanzen jedoch bei begrenztem Wasser weniger N aufnehmen, erhöht sich die Menge an Rest-N im Boden, was auch zu größeren gasförmigen N- und NO3-Verlusten durch Auswaschung führen könnte, wenn die Bodenfeuchtigkeit später in der Saison zunimmt. Daher ist es wichtig, nicht nur zu verstehen, wie sich die Wasserverfügbarkeit auf das Pflanzenwachstum auswirkt, sondern auch auf das Schicksal von N in Agrarökosystemen, da die Verfügbarkeit von Bodenwasser das Potenzial hat, die Form und Größe der N-Verluste aus dem Boden zu verändern.

Um unsere Fähigkeit zu verbessern, optimale Wasser- und N-Zugaben vorherzusagen, haben wir ein Feldexperiment durchgeführt, bei dem Mais bei voller und begrenzter Wasserverfügbarkeit bei drei Niveaus der N-Verfügbarkeit (hoch, mittel und niedrig) angebaut wurde. Die Ziele dieser Studie waren: (1) zu testen, ob N und die Wasserverfügbarkeit interagierende Auswirkungen auf Maisertrag, Wasser und N-Produktivität haben, und (2) die Auswirkungen der Wasserverfügbarkeit auf die N-Bewegung und den N-Verlust aus Böden (über und unter der Erde) zu verstehen N-Aufnahme, N-Auswaschung und N2O-Emissionen) in einem unterirdischen Tropfbewässerungssystem für Mais. Wir stellten die Hypothese auf, dass (1) begrenztes Wasser die Wasserproduktivität erhöhen, aber die vegetative Biomasse reduzieren würde, sodass (2) die N-Aufnahme bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser verringert würde und dass (3) eine geringere N-Aufnahme zu einem erhöhten Reststickstoff im Boden gepaart mit mehr führen würde Potenzial für N-Verlust.

Dieses Experiment wurde auf der USDA-ARS Limited Irrigation Research Farm in der Nähe von Greeley im Norden Colorados, USA (40° 26′ 57″ N, 104° 38′ 12″ W) durchgeführt. Der Standort ist halbtrocken mit einer Höhe von 1427 m und erhält während der Vegetationsperiode (Mai–Oktober) durchschnittlich 215 mm Niederschlag und jährlich 335 mm. Die Böden bestehen überwiegend aus feinsandigem Olney-Lehm (fein-lehmiger, gemischter, superaktiver, mesischer ustischer Haplargid) und in kleinen Bereichen aus sandigem Otero-Lehm (grob-lehmiger, gemischter, superaktiver, kalkhaltiger, mesischer aridischer Ustorthent) mit einem durchschnittlichen pH-Wert von 8,2. Auf dem für diese Studie verwendeten Feld wurde in den vergangenen Jahren Mais mit einer gleichmäßigen Tropfbewässerung unter der Oberfläche angebaut und es wurde jährlich eine Streifenbearbeitung durchgeführt.

Im Jahr 2018 wurde ein Feldversuch mit zwei Wasser- und drei N-Düngermengen durchgeführt, um den kombinierten Einfluss der Wasser- und N-Verfügbarkeit auf das Maispflanzenwachstum und die N-Dynamik zu untersuchen (Tabelle 1; ergänzende Abbildung S1). Die begrenzte Wasseraufbereitung erreichte 75 % der Evapotranspiration (ET) der Pflanzen während der späten vegetativen Wachstumsphase vom vegetativen Stadium mit neun Blättern pro Pflanze bis zum Auflaufen der Quasten (V9-VT) und 100 % der ET für alle anderen Wachstumsstadien (ergänzende Abbildung). S2). Diese Behandlung wurde ausgewählt, weil zuvor gezeigt wurde, dass sie zu erheblichen Wassereinsparungen bei den Pflanzen führt, ohne den Ertrag zu verringern8. Die vollständige Wasseraufbereitung erhielt während der gesamten Vegetationsperiode 100 % ET. Zielausbringmengen für N-Behandlungen basierten auf Empfehlungen für bewässerten Mais aus Bodenproben vor der Saison, bei denen das verfügbare Boden-N (46,2 kg ha−1) und 1,0 % organische Bodensubstanz pro Bodenmasse in der Oberflächenschicht (0–30 cm) gemessen wurden Tiefe) vor dem Pflanzen26. Basierend auf dieser Empfehlung wurde eine mittlere Menge von 200 kg N ha-1 festgelegt und niedrige und hohe Mengen an N-Ausbringung wurden bestimmt, indem ~ 70 kg ha-1 von dieser empfohlenen Menge abgezogen oder addiert wurden. Alle Wasser- und N-Behandlungskombinationen wurden im Rahmen eines randomisierten Split-Plot-Designs angewendet, wobei jede Behandlung in vier Replikatblöcken vorhanden war (ergänzende Abbildung S1). Wasseraufbereitungen wurden auf den Hauptparzellen durchgeführt, und N-Behandlungen wurden auf Unterparzellen innerhalb jeder Wasseraufbereitungsparzelle angewendet. Die Unterparzellen waren 9 m breit und 20 m lang und enthielten jeweils 12 Reihen Mais (Syngenta-Hybrid N68B), die mit einer Dichte von 84.000 Samen pro Hektar und einem Abstand von 0,76 m zwischen den Reihen gepflanzt wurden.

Vor der Bepflanzung wurde das Feld streifenförmig bearbeitet. Eine gleiche Menge Starterdünger (16,8 kg N ha-1) wurde in Reihen mit Samen injiziert, wobei eine Kombination aus Ammoniumpolyphosphat (10,1 kg N ha-1) und Harnstoff-Ammoniumnitrat (UAN) (6,7 kg N ha-1) verwendet wurde. Anschließend wurde N-Dünger durch Side-Dressing von UAN im vegetativen Stadium mit vier vorhandenen Blättern (V4, etwa vier Wochen nach der Pflanzung) hinzugefügt, um Unterschiede in der N-Behandlung zu schaffen (Tabelle 1). Das für die Bewässerung am Standort verwendete Grundwasser enthielt 30 ppm NO3−, daher wurde der zusätzliche N-Düngemittelzusatz basierend auf der erwarteten N-Zufuhr über die Bewässerung reduziert. Für die Bewässerung während der gesamten Saison wurden strömungsüberwachte unterirdische Tropfleitungen verwendet, die sich etwa 23 cm unter der Bodenoberfläche befanden, basierend auf den angestrebten ET-Werten, die durch den Wasserhaushalt mithilfe von Neutronensonden und Zeitbereichsreflektometrie bestimmt wurden. Eine Wetterstation vor Ort maß den Niederschlag und ermöglichte die Berechnung der lokalen ET.

Ende September wurden Pflanzenproben entnommen, als die Pflanzen die Fortpflanzungsreife (physiologische Reife, R6) erreichten, um die oberirdische Biomasse und die N-Aufnahme zu beurteilen. Dieser Probenahmezeitpunkt spiegelt das Pflanzenstadium wider, in dem alle physiologischen Aktivitäten (hier wichtig: N-Aufnahme und -Translokation) im Wesentlichen aufgehört haben und die Pflanzen zu trocknen beginnen. Die Sammlung von Pflanzenmaterial entsprach den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. In jeder Parzelle wurden fünf Pflanzen in einer Reihe ohne Lücken oder Doppelgänge auf Bodenhöhe geschnitten und in Stängel, Blätter und Ähren getrennt. Zur Bestimmung der Bodenfläche wurden Reihenlängen gemessen. Die Blätter wurden mit einem Blattflächenmessgerät (LI-3100C; LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA) gescannt. Alle Pflanzenbestandteile wurden bei 65 °C ofengetrocknet und gewogen. Die oberirdische vegetative Biomasse umfasste alle oberirdischen Teile (z. B. Stängel, Maiskolben, Spelzen) mit Ausnahme von Getreide. Repräsentative Teilproben jeder ofengetrockneten Komponente wurden für nachfolgende Elementaranalysen gemahlen. Der Kornertrag wurde zum Zeitpunkt der Pflanzenreife (R6) bestimmt, indem Ähren von Hand in einem Bereich in der Mitte der Parzellen, zwei Reihen breit und 5 m lang, gesammelt wurden. Das Getreide wurde von den Ähren getrennt, separat gewogen und zur Standardisierung auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 15,5 % eingestellt.

Im Oktober 2018 wurden am Ende der Saison Bodenkerne (6,35 cm Durchmesser) gesammelt, um die Wurzelbiomasse (kg ha−1) und den verfügbaren Boden-N in vier Tiefen (0–30, 30–60, 60–90, 90–120) zu bestimmen cm). In jeder Parzelle wurden mit einer Giddings-Sonde vier Bodenkerne entnommen: zwei Kerne innerhalb der Reihe und zwei Kerne zwischen den Reihen. Sichtbare Wurzeln aus jedem Tiefenschritt wurden durch manuelle Entnahme aus den Proben entfernt. Die gesammelten Wurzeln wurden dann im Ofen getrocknet, gewogen und der Durchschnitt der Unterreplikate für jede Parzelle auf Basis der Bodenfläche ermittelt. Reihen- und Zwischenreihen-Bodenproben von jeder Parzelle wurden in jeder Tiefe zusammengestellt, luftgetrocknet und auf 2 mm gesiebt. Teilproben von Stielen, Blättern, Körnern und Wurzeln wurden mit einem Verbrennungsanalysator (LECO Tru-SPEC, St. Joseph, MI) auf Gesamt-C und N analysiert. Um die NO3−-Konzentration im Boden in jeder Tiefe zu bestimmen, wurden 5 g einer Teilprobe homogenisierter, feldfeuchter Erde mit 25 ml 1 M KCl-Lösung extrahiert und kolorimetrisch27 mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Shimadzu, Kyoto, Japan) gemessen.

Die Messungen der N2O-Emissionen begannen Anfang Mai und endeten Ende September 2018. In jeder Parzelle wurden zwei kreisförmige Polyvinylchlorid-Anker (20,3 cm Durchmesser) angebracht (bis zu einer Tiefe von 10 cm eingesetzt), die sich über eine halbe Reihe erstreckten, um die räumliche Variabilität darin zu erfassen Reihen. Deckel mit einer luftdichten Dichtung, die bei jeder Treibhausgas-Probenahme an der Oberseite jedes Ankers angebracht werden. In Zeiten häufiger Bewässerung wurden etwa zweimal pro Woche Proben entnommen, nach Beendigung der Bewässerung seltener. Am Morgen zwischen 8:00 und 12:00 Uhr wurden Gasproben entnommen, um den durchschnittlichen Tagesfluss anzunähern und die Auswirkungen von Tagesschwankungen zu minimieren28, 29. Während der Gasprobenahme wurden die Kammern auf atmosphärischen Druck belüftet und 45 Minuten lang eingesetzt. Gasproben wurden beginnend bei 0, 15, 30 und 45 Minuten mit 35-ml-Polypropylenspritzen gesammelt und sofort in einen 12-ml-evakuierten Glas-Exetainer mit Schraubverschluss und Gummibutylseptum (Exetainer-Fläschchen von Labco Limited, High Wycombe, Buckingham) überführt -shire, Großbritannien). Die Innentemperatur der Kammer wurde mithilfe von Thermoelementdrähten gemessen, die in luftdichten Kammerdeckeln installiert waren, und später zur Berechnung der Gashäufigkeit in der Kammer verwendet. Die Proben wurden innerhalb von zwei Wochen nach der Entnahme mit einem automatisierten Gaschromatographen (Varian Modell 3800, Varian Inc., Palo Alto, CA) analysiert, der mit einem Elektroneneinfangdetektor ausgestattet war.

Der Blattflächenindex (LAI) wurde als Gesamtblattfläche pro Bodenoberfläche basierend auf dem Durchschnitt von fünf beprobten Pflanzen berechnet. Der Ernteindex (HI) wurde berechnet, indem die Biomasse des ofentrockenen Getreides durch die gesamte oftrockene Biomasse der oberirdischen Pflanzen (Getreide und vegetative Biomasse) dividiert wurde.

Die Evapotranspiration wurde anhand von Wetterstationsdaten und einem in Trout und DeJonge30 beschriebenen Wasserhaushaltsansatz berechnet. Die Wasserproduktivität der Kulturpflanzen wurde anhand des Getreideertrags dividiert durch den Gesamtwasserverbrauch (ET) der Kulturpflanzen berechnet. Die Stickstoffproduktivität wurde als Kornertrag dividiert durch den gesamten ausgebrachten N (N in Dünger und Bewässerungswasser) berechnet. Die Gesamt-N-Aufnahme (kg ha-1) wurde berechnet, indem die ofentrockene Biomasse jedes Pflanzenbestandteils (Körner, Triebe und Wurzeln) mit der entsprechenden N-Konzentration multipliziert und dann alle oberirdischen Teile summiert wurden. Um die gesamte N-Rückgewinnung zu untersuchen und die leicht unterschiedliche N-Anwendungsmenge für jeden N-Gehalt bei den beiden Bewässerungsbehandlungen zu berücksichtigen, haben wir die Gesamtmenge der N-Aufnahme durch die Gesamtmenge des ausgebrachten N (in Dünger und Bewässerungswasser) dividiert.

Da die N2O-Emissionen gering waren, verwendeten wir eine lineare Regression zur Schätzung der Gasflüsse, um eine Überschätzung der Flüsse zu vermeiden29, 31. Die kumulativen Flüsse für jede Bodenkammer wurden aus der Summe der gemessenen und interpolierten Werte der täglichen Flüsse berechnet. Interpolierte Werte für nicht gemessene Tage wurden durch lineare Interpolation unter Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt:

Dabei ist F1 der gemessene Gasfluss am nächsten Tag vor dem Tag, der eine Interpolation erfordert, und F2 der gemessene Gasfluss am nächsten Tag nach dem Datum des berechneten Flusses. D1 ist der Tag der Vegetationsperiode, an dem F1 gemessen wurde, D2 ist der Tag der Vegetationsperiode, an dem F2 gemessen wurde.

Der Emissionsfaktor wurde berechnet, um den Prozentsatz des ausgebrachten Stickstoffs abzuschätzen, der als N2O-Emissionen verloren geht. Typischerweise wird der Emissionsfaktor berechnet, indem die Emissionen einer Kontrollbehandlung von den Behandlungsemissionen abgezogen werden. Da es bei diesem Experiment keine 0 N-Behandlung gab, wurde ein modifizierter Emissionsfaktor (EF) wie folgt berechnet:

Aufgrund eines Ausfalls der Bewässerungsleitung wurde die Analyse auf 21 Parzellen des ursprünglichen Experiments mit 24 Parzellen durchgeführt. Dies führte zu vier Wiederholungen jedes N-Gehalts unter begrenztem Wasser und drei Wiederholungen jedes N-Gehalts unter Vollwasser. Wir haben die Auswirkung von Bewässerung, N und die Wechselwirkung von Wasser- und N-Verfügbarkeit mithilfe einer Zwei-Wege-ANOVA bewertet. Die Wasseraufbereitung wurde als kategoriale Variable und der N-Gehalt als kontinuierliche Variable behandelt. Für Ertrags- und oberirdische Biomassereaktionen wurden einzelne t-Tests durchgeführt, um spezifische Vergleiche zu testen, wenn die Zwei-Wege-ANOVA signifikante Gesamtunterschiede anzeigte. Wurzelmasse und Rest-NO3− wurden in jeder gemessenen Tiefe separat bewertet. Die Antwortvariablen wurden auf Normalität und Homogenität der Varianz überprüft. Post-hoc-Mittelwertvergleiche (Tukey-Kramer-HSD-Test) wurden durchgeführt, um Behandlungsunterschiede zu bewerten, wenn die Behandlungseffekte in den ANOVAs signifikant waren. Die Analysen wurden mit R Version 4.0.3 durchgeführt. unter Verwendung der Pakete lme4, lmerTest und emmeans32, 33.

Der Niederschlag während der Vegetationsperiode 2018 betrug etwa die Hälfte des durchschnittlichen Niederschlags der Vegetationsperiode (Tabelle 1), während die Temperaturen über dem Durchschnitt lagen. Eine begrenzte Wasseraufbereitung, die während der 4-wöchigen späten Vegetationsperiode auf 75 % der vollen ET angewendet wurde und während der restlichen Saison den vollen Wasserbedarf deckte, führte dazu, dass die begrenzte Wasseraufbereitung 91 % der vollen ET für die Vegetationsperiode erhielt (Tabelle 1). Die angestrebten N-Werte waren bei den Wasseraufbereitungen ähnlich (Tabelle 1).

Begrenztes Wasser verringerte die gesamte N-Aufnahme von Mais im Vergleich zu vollem Wasser deutlich um 10 % (Abb. 1; P < 0,05). Die Verringerung der Aufnahme war hauptsächlich auf die verringerte Biomasse unter begrenztem Wasser zurückzuführen, denn wenn sich die Gewebekonzentrationen zwischen den Behandlungen unterschieden, waren sie in der Regel bei begrenztem Wasser höher als bei vollem Wasser und höher, wenn mehr N angewendet wurde (Tabelle 2). Obwohl die N-Konzentrationen in den Blättern bei Bewässerung und N-Behandlung ähnlich waren, waren die N-Konzentrationen im Stengel und in der Wurzel um 17 bzw. 20 % höher, verglichen mit Vollwasser (P < 0,01 für beide). Die N-Konzentrationen in Wurzeln und Körnern waren im Allgemeinen höher, wenn mehr N ausgebracht wurde (P < 0,01 bzw. P = 0,02).

Mittlere N-Aufnahme in den Wurzeln, der vegetativen Biomasse und im Getreide bei vollem Wasser (FW) und begrenztem Wasser (LW). Unterschiedliche Buchstaben weisen auf einen signifikanten Unterschied zwischen FW- und LW-Behandlungen in der Gesamtwiederherstellung hin (die Summe der N-Aufnahme von Wurzeln, Pflanzen und Getreide, P < 0,05). Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar.

Begrenztes Wasser verringerte den Gesamtanteil des in den Maispflanzen über die N-Behandlungen zurückgewonnenen Stickstoffs (Tabelle 3; P = 0,04). Die N-Rückgewinnung der Pflanze war bei Vollwasser um 7 % höher als bei begrenztem Wasser und war bei niedriger N-Bewässerung 1,5- bis 2-mal höher im Vergleich zur Behandlung mit hohem N-Gehalt sowohl bei vollem als auch bei begrenztem Wasser. Wir stellen fest, dass die Behandlungen mit niedrigem N-Gehalt sowohl bei vollem als auch bei begrenztem Wasser wesentlich mehr N zurückgewinnen als der gesamte N, der bei diesen Behandlungen angewendet wurde, was auf eine alternative N-Quelle für die Pflanzen hinweist, die bei niedrigem N-Gehalt zugenommen haben.

Der Getreideertrag verringerte sich bei beiden Bewässerungsbehandlungen vom mittleren bis zum höchsten N-Gehalt um 9 % (Abb. 2a). Die Behandlung mit hohem N-Gehalt verringerte insbesondere den Kornertrag bei begrenztem Wasser (einzelne t-Tests; volles Wasser/hoher N gegenüber begrenztem Wasser/hohem N: P = 0,03; und begrenztes Wasser/geringer N gegenüber begrenztem Wasser/hoher N: P = 0,05). Insgesamt verringerte begrenztes Wasser den Kornertrag im Vergleich zu vollem Wasser bei allen N-Behandlungen um 12 % (Abb. 2a; P < 0,05). Begrenztes Wasser reduzierte die oberirdische Biomasse um 22 % im Vergleich zu Vollwasser (P < 0,01), wobei die oberirdische Biomasse bei beiden Bewässerungsbehandlungen eine ähnliche Tendenz zur Reduzierung der oberirdischen Biomasse vom mittleren bis zum höchsten N-Gehalt verfolgte (Abb. 2b). Wie die Reduzierung der oberirdischen Biomasse war auch der LAI als Reaktion auf begrenztes Wasser geringer, aber der LAI aller Behandlungen deutete auf eine vollständige Lichtabschirmung hin (Tabelle 3; Comas et al.8). Da die Verringerung der Biomasse als Reaktion auf begrenztes Wasser größer war als die Ertragsreduzierung, stieg HI bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser um 5 % (P = 0,02), ohne dass sich der N-Gehalt signifikant auf HI auswirkte (Abb. 2c).

Durchschnittlicher (a) Ertrag, (b) oberirdische Biomasse und (c) Ernteindex (Getreidebiomasse geteilt durch oberirdische Gesamtbiomasse) unter zwei Wasserbehandlungsstufen (voll und begrenzt) und drei N-Stickstoffbehandlungsstufen. Punkte stellen Durchschnittswerte der einzelnen Wasser- und N-Behandlungen dar, während Fehlerbalken den Standardfehler zwischen den Wiederholungen jeder Behandlung darstellen. ANOVA-P-Werte liefern Statistiken zu den Hauptfaktoren (Wasser- und N-Rate) sowie deren Wechselwirkung (Wasser × N) in der oberen linken Ecke jedes Diagramms.

Es gab keinen Unterschied in der Wasserproduktivität als Reaktion auf Wasser- oder N-Behandlungen (Tabelle 3). Der Gesamteffekt einer begrenzten Wassermenge bei den N-Behandlungen war jedoch eine Verringerung der Stickstoffproduktivität um 9 % (Tabelle 3), obwohl der Effekt nur geringfügig signifikant war (P = 0,08). Die Stickstoffproduktivität war bei der Behandlung mit hohem N-Gehalt 1,5- bis 2-mal niedriger als bei der Behandlung mit niedrigem N-Gehalt, sowohl unter vollem als auch unter begrenztem Wasserstand (P < 0,01).

Das im Boden verbleibende NO3− lag am Ende der Saison in der höchsten Konzentration in 0–30 cm Bodentiefe vor, es gab jedoch keine Unterschiede zwischen den N-Behandlungen (Abb. 3). Bei begrenzten Wasseraufbereitungen in einer Bodentiefe von 30 bis 90 cm war insgesamt ein größerer Rest-N-Wert zu verzeichnen, wobei der Rest-NO3− im Boden im begrenzten Wasser im Vergleich zum Vollwasser um 22–35 % zunahm (Abb. 3). Das restliche Boden-NO3− unterschied sich ansonsten nicht je nach Bodentiefe und Behandlung.

Restboden-NO3− am Ende der Saison, gemessen als NO3-N (kg ha−1) in vier Tiefen (0–30, 31–60, 61–90, 91–120 cm) in einem Maisfeld, gemittelt über N Stufen für die beiden Wasseraufbereitungsstufen (voll und begrenzt). Fehlerbalken stellen den Standardfehler dar. ANOVA-P-Werte für jede Tiefe werden dargestellt und fett dargestellt stellt einen signifikanten Effekt dar (P < 0,05).

Bei allen Behandlungen befanden sich etwa 50 % der Wurzelbiomasse in den obersten 0–15 cm des Bodens, 20 % in den 15–30 cm, 20 % in den 30–60 cm und 10 % in den 60–90 cm (Tabelle 4), ohne Wurzeln unter 90 cm. Wasser- und N-Behandlungen hatten keinen Einfluss auf die Wurzelbiomasse, außer in der Bodentiefe von 60–90 cm, wo es eine signifikante Wechselwirkung zwischen Wasser- und N-Behandlungen gab, so dass unter Vollwasser die Wurzelbiomasse abnahm, wenn weniger N ausgebracht wurde, aber zunahm, wenn weniger N ausgebracht wurde N wurde unter begrenzter Wasserzufuhr aufgetragen (Tabelle 3). Die größere Wurzelbiomasse bei begrenztem Wasser und niedrigem N-Gehalt stimmte mit der Bodentiefe von 60–90 cm überein, wo der Rest-N bei begrenztem Wasser ebenfalls größer war (Abb. 3).

Es gab keine signifikanten Behandlungseffekte auf die kumulativen N2O-Emissionen (Tabelle 3), obwohl die höchsten Spitzen der N2O-Emissionen unter Vollwasser mit hohen und mittleren N-Anwendungsraten auftraten (Abb. 4). Der Zeitpunkt der N-Emissionen war bei den Behandlungen im Allgemeinen ähnlich, wobei es nach der N-Anwendung Mitte Juni zu Emissionsspitzen kam. Die höchste N-Ausbringungsrate bei begrenztem Wasser wies im Juli und einem Teil des Augusts weiterhin kleine Spitzen auf (Abb. 4).

N2O-Emissionen (µg N2O-N m−2 h−1) während der Maisanbausaison 2018 für zwei Wasseraufbereitungen (volles Wasser, FW; begrenztes Wasser, LW) und drei Stickstoffbehandlungsstufen (hoch, H; mittel, M; und). niedrig, L). Während der späten vegetativen Wachstumsstadien (V9-VT), die vom 3. bis 31. Juli stattfanden, kam es zu einer begrenzten Wasseraufbereitung.

Aufgrund geringer bis gar keiner Unterschiede bei den kumulativen N2O-Emissionen zwischen den Behandlungen führten niedrigere N-Anwendungsraten zu proportional größeren Emissionsverlusten im Verhältnis zur Menge des angewendeten N (d. h. größerer Emissionsfaktor, N2O-Emissionen pro angewendeter N-Einheit; Tabelle 2). .

Als Reaktion auf die Verringerung des Wasserverbrauchs der Pflanzen kam es zu einer nahezu proportionalen Ertragsreduzierung (88 % Getreideertrag mit insgesamt 91 % ETin-begrenztem gegenüber vollem Wasser; Abb. 5). Ein hoher N-Gehalt ging bei beiden Wasserständen mit einem Ertragsrückgang einher, ein niedriger N-Gehalt ging jedoch auch mit einem Ertragsrückgang bei Vollwasserstand einher (Abb. 5).

Wasserproduktfunktionen (erzeugter Getreideertrag (Feuchtigkeitsgehalt) im Vergleich zum von den Pflanzen verwendeten ET) der Behandlungen in dieser Studie (2018) und denen einer früheren Studie (2012 und 2013), die am selben Standort durchgeführt wurde8. Der ET jeder Behandlung wird als Prozentsatz des gesamten ET dargestellt, der von der vollständig bewässerten Behandlung jedes Jahres verbraucht wird. Die Behandlungsbezeichnungen aus der aktuellen Studie sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die vier für 2012 und 2013 gezeigten Bewässerungsbehandlungen umfassten eine vollständige Wasseraufbereitung (FW) und drei begrenzte Wasseraufbereitungen, die darauf abzielten, 80, 65 und 50 % des vollständigen ET zu liefern die späten vegetativen und körnerfüllenden Stadien (siehe Comas et al.8 für eine vollständige Beschreibung).

Der N-Bedarf von Pflanzen ist besonders ungewiss, wenn Wasser begrenzt ist, da Wasser und N sich gegenseitig auf das Pflanzenwachstum, den N-Bedarf und die N-Aufnahme der Pflanzen auswirken. Unsere Daten deuten darauf hin, dass weniger N benötigt wurde, um den Ertrag bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser zu optimieren. Interessanterweise war zwar eine geringe N-Ausbringung bei vollem Wasserstand mit einer Ertragsminderung verbunden, eine höhere N-Ausbringung war jedoch auch mit Ertragsminderungen sowohl bei vollem als auch bei begrenztem Wasserstand verbunden. Diese Ertragseinbußen sind besonders relevant, da Studien darauf hindeuten, dass die zusätzliche Stickstoffzufuhr während der Wasserbegrenzung den Maiskörnerertrag und die Wassernutzungseffizienz steigern kann. Wichtig ist, dass Ertragseinbußen sowohl bei vollem als auch bei begrenztem Wasser bei moderaten NO3−-Werten festgestellt wurden, die Pflanzen normalerweise tolerieren, und ohne Anzeichen physikalischer Toxizität34.

Entgegen anfänglichen Hypothesen erhöhte die begrenzte Wasserzufuhr, die während der Vegetationsperiode strategisch eingesetzt wurde, die Wasserproduktivität nicht, wofür möglicherweise mehrere Erklärungen vorliegen. Die begrenzte Wasserverfügbarkeit reduzierte die N-Rückgewinnung wie vermutet bei mittlerem und hohem N-Gehalt und führte zu größeren Bodenrückständen, aber interessanterweise erhöhte sich die N-Rückgewinnung bei niedrigem N-Gehalt bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser (Tabelle 3). Die N-Gewinnung war nicht nur bei niedrigen N-Anwendungsmengen am größten, sondern überstieg auch die geschätzte verfügbare N-Menge, was darauf hindeutet, dass die Pflanzen entweder in der Lage waren, nach Rest-N-Vorräten im Bodenprofil zu suchen, oder dass die N-Mineralisierung bei niedriger N-Anwendung stimuliert wurde. Der verbleibende N-Gehalt war am Ende der Saison im Allgemeinen tiefer im Bodenprofil mit begrenztem Wasser größer (Abb. 3), wie vermutet, aber die N2O-Emissionen des Bodens waren im Allgemeinen niedrig und bei allen Wasser- und N-Behandlungen ähnlich. Am Ende der Vegetationsperiode tief im Bodenprofil verbliebenes Rest-NO3− im Boden hatte ein erhöhtes Potenzial für Verluste durch Auswaschung ins Grundwasser, was die Notwendigkeit unterstreicht, den N-Bedarf bei unterschiedlichem Bewässerungsmanagement genau zu bestimmen.

Unter wasserarmen Bedingungen angebauter Mais benötigt im Vergleich zu gut bewässertem Mais typischerweise weniger N, um einen maximalen Kornertrag zu erzielen35, wahrscheinlich weil kleinere Pflanzen weniger N benötigen. Die Verringerung der pflanzlichen N-Aufnahme bei begrenztem Wasser in dieser Studie war auf beides zurückzuführen vegetative Biomasse sowie Getreideertrag. Wie die insgesamt verringerte N-Aufnahme war auch die N-Rückgewinnungsrate bei mittleren und hohen N-Ausbringungsraten bei begrenztem Wasser geringer als bei vollem Wasser, was auf ein größeres Potenzial für N-Verluste bei begrenztem Wasser hindeutet. Unsere Fähigkeit, die Bewegung spezifischer N-Quellen zu verfolgen, ist begrenzt, da unsere N-Rückgewinnungsmetrik nicht zwischen Düngemittel-N und N unterschied, das aus anderen Bodenquellen (z. B. mineralisiert aus organischer Bodensubstanz) aufgenommen wurde. Die Durchführung eines ähnlichen Experiments mit Isotopenverfolgung der verschiedenen N-Quellen in Pflanzen würde ein genaueres Verständnis darüber ermöglichen, wie sich begrenztes Wasser auf die Umwandlung und das Schicksal von Boden-N auswirkt. Der Boden in dieser Studie wies jedoch wenig organische Bodensubstanz (SOM) auf 1 % der Bodenmasse in den oberen 30 cm), was möglicherweise den Gesamtbeitrag von N über die Mineralisierung begrenzt. Es ist wahrscheinlicher, dass ein verstärktes Wurzelwachstum tief im Profil bei begrenztem Wasser und niedrigem N-Gehalt die Fähigkeit der Pflanzen steigerte, tief im Bodenprofil nach verfügbarem N zu suchen.

Während die N-Aufnahme der Pflanzen weitgehend durch das Pflanzenwachstum und den N-Bedarf bestimmt wird, spielen auch die N-Verfügbarkeit des Bodens und die Aufnahmekapazität der Wurzeln eine entscheidende Rolle36. Die Stickstoffaufnahme hängt von der Wasserverfügbarkeit ab, wobei der N-Massenstrom im Boden zur Wurzeloberfläche wandert12, aber bei ähnlicher Bodenfeuchtigkeit sollte eine Erhöhung der N-Konzentration im Boden theoretisch die N-Aufnahme steigern. Eine Erhöhung der N-Konzentration im Boden zur Erhöhung der N-Aufnahme wurde in dieser Studie jedoch nicht unterstützt, da eine Erhöhung der N-Ausbringung bei begrenztem Wasser um 145 kg N ha−1 (von der niedrigen zur hohen Behandlung) die N-Aufnahme verringerte. Unter Vollwasser führte eine Erhöhung der Stickstoffmenge um 118 kg ha-1 (von der Behandlung mit niedrigem zu hohem N-Gehalt) ebenfalls nur zu einer zusätzlichen N-Aufnahme von 22 kg ha-1 durch die Pflanze, möglicherweise weil der zusätzliche N auch mit einer Reduzierung einherging in der Pflanzenbiomasse und im Getreideertrag (Abb. 2).

Die begrenzte Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit ermutigt Pflanzen, in Wurzelbiomasse zu investieren. Hier war die Biomasse der Maiswurzeln bei niedrigem N-Gehalt und begrenztem Wasser in der tiefsten untersuchten Bodentiefe am größten. Frühere Arbeiten an diesem Feldstandort haben auch gezeigt, dass begrenztes Wasser das Maiswurzelwachstum in der Tiefe steigert37, 38. Interessanterweise war die Wurzelbiomasse in der tiefsten Tiefe durch begrenztes Wasser und hohen N-Gehalt reduziert, möglicherweise aufgrund der Kontrolle von N über die Größe des Wurzelsystems (Tabelle 4). Das Fehlen einer Gesamtzunahme der Wurzelbiomasse bei begrenztem Wasser in dieser Studie stand im Gegensatz zu den Ergebnissen von Flynn et al.38, die die Auswirkungen von begrenztem Wasser auf die Emissionen am selben Standort in früheren Jahren untersuchten, und war möglicherweise darauf zurückzuführen Tatsache ist, dass das in dieser Studie verursachte Defizit (75 % der vollständigen ET) geringer war als im vorherigen Experiment (40 % der vollständigen ET).

Am interessantesten ist jedoch, dass Pflanzen in den Behandlungen mit niedrigem Stickstoffgehalt, sowohl unter vollem als auch unter begrenztem Wasser, wesentlich mehr N zurückgewonnen haben als der gesamte N, der bei diesen Behandlungen angewendet wurde. Auch hier ist es ohne zusätzliche Messungen schwierig, über die Quelle dieses N zu spekulieren. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass Kulturpflanzen weniger als 50 % ihres N aus dem ausgebrachten N-Düngemittel beziehen39, 40. Es ist jedoch nicht bekannt, wie sich die aktuelle Düngemittelausbringung im Vergleich zur N-Mineralisierung im Vergleich zum Rest-N in der gesamten Wurzelzone (aus früherer Düngemittelausbringung und Mineralisierung) auswirkt ) zur gesamten N-Aufnahme von Kulturpflanzen beitragen und wie diese je nach N-Verfügbarkeit und Düngemittelanwendung variiert. Diese Informationen sind entscheidend für die Entwicklung nachhaltiger Strategien für das N-Management.

Stickstoff wird von Maispflanzen in großen Mengen benötigt. Wenn also die Preise für N-Düngemittel niedrig sind oder hohe Rohstoffpreise zu erwarten sind, verwenden einige Landwirte aus Sicherheitsgründen übermäßig viel N-Düngemittel. Es hat sich gezeigt, dass die Aufnahme von Luxus-N die Blattlebensdauer verbessert, zu mehr Biomasse führt und die Auswirkungen von Wasserstress während der Maiskörnerfüllung verringert41. Allerdings kann sich ein zu hoher oder zu niedriger N-Gehalt bei begrenzter Wasserverfügbarkeit negativ auf den Mais auswirken42. Diese krummlinige Reaktion (hier sowohl des Getreideertrags als auch der oberirdischen Pflanzenbiomasse) auf die N-Anwendung lässt auf eine Hormesis43 schließen, bei der anfänglich vorteilhafte Steigerungen der N-Verfügbarkeit nach einem gewissen Punkt negativ wurden, obwohl die N-Verfügbarkeit auf einem ungiftigen Niveau lag, da die N-Verfügbarkeit paradoxerweise Reaktionen der Pflanzen hervorruft kann die Produktivität der Pflanzen nicht mehr unterstützen. Mehrere mögliche Mechanismen könnten einer hormetischen Wirkung von N auf Pflanzen zugrunde liegen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass zu viel N in Maisblättern die Spaltöffnungen schließt, die Stomata-Leitfähigkeit verringert und somit die Photosyntheseparameter negativ beeinflusst und die Empfindlichkeit der Pflanzen gegenüber Trockenstress erhöht42. Es hat sich auch gezeigt, dass zu hohe N-Raten das Wurzelwachstum und die Wurzelfunktion beeinträchtigen und sich negativ auf das Pflanzenwachstum auswirken44, 45.

Im Gegensatz zu den hier vorliegenden Ergebnissen haben andere Studien herausgefunden, dass ein erhöhter N-Düngemitteleinsatz den Maisertrag bei Wasserstress begünstigt14, 46. In einer dieser Studien in Ägypten46 war der höchste N-Gehalt bei freilandangebautem Mais ähnlich dem niedrigsten N-Gehalt in Diese Studie ergab, dass alle verwendeten N-Mengen geringer waren als nötig, um den gesamten N-Bedarf der Anlage zu decken. In einer anderen Studie in den Great Plains von Colorado14 wurde festgestellt, dass der optimale N-Gehalt höher ist als hier, es wurde jedoch eine viel größere Pflanzdichte verwendet, sodass bei vollem Wasser ein ähnlicher relativer N-Bedarf festgestellt wurde. Ein moderat höherer N-Gehalt erhöhte die Wassernutzungseffizienz bei begrenztem Wasser in einem von drei Jahren, ein übermäßiger N-Gehalt verringerte jedoch auch die Wassernutzungseffizienz. Hier wurden unter Wasserbegrenzung sowohl die Kornproduktion als auch die N-Produktivität, bewertet als produziertes Korn pro zugeführtem N, mit niedrigeren N-Raten verbessert. Stickstoffdünger, der über 150 kg ha-1 bei begrenzter und 210 kg ha-1 bei Vollwasseraufbereitung ausgebracht wurde, schien keinen zusätzlichen Nutzen für den Ertrag zu haben. Daher stützen unsere Ergebnisse nicht die Annahme, dass ein hoher N-Gehalt die WUE erhöht oder den Maisertrag bei Wasserstress auf andere Weise begünstigt. Das Potenzial für eine N-Mineralisierung und die Menge der verbleibenden N-Ansammlungen im Bodenprofil sind jedoch entscheidend für die Bestimmung der optimalen N-Düngung.

Darüber hinaus verringerte die Anwendung von begrenztem Wasser während der späten vegetativen Wachstumsphase den Maisertrag im Vergleich zu Vollwasser und verbesserte die Wasserproduktivität nicht wesentlich. Dies steht im Widerspruch zu unserer Hypothese und früheren Studien, die eine erhöhte Wasserproduktivität mit strategisch reguliertem, begrenztem Maiswasser gezeigt haben8,9,10. Die Verbesserung der Wasserproduktivität von Mais bei begrenztem Wasser stellt eine Herausforderung dar, da Mais anfällig für Wasserstress ist und der Maisertrag oft linear mit ET20, 47 zusammenhängt. Man geht davon aus, dass begrenztes Wasser nur während der späten Vegetationsphase verwendet wird, wie wir es in dieser Studie getan haben Dies ist die ideale Phase zur Reduzierung des Wasserverbrauchs, da der Ertrag in dieser Phase weniger empfindlich auf Wasserstress reagiert als während der frühen Vegetationsphase oder der Anthese und der Kornfüllung7, 16. Einschränkungen der Wasserverfügbarkeit während der späten Vegetationsphase können zu einer krummlinigen Wasserreaktionsfunktion und einem erhöhten Wasserbedarf führen Produktivität (Comas et al.8; ~ 14 % Gesamteinsparungen bei ET durch Anwendung von etwa 71 % des gesamten ET in jeder der späten vegetativen und Reifungswachstumsphasen ohne nennenswerten Ertragsverlust) (siehe Daten aus dieser früheren Studie im Vergleich zur aktuellen). Studie; Abb. 5). Interessanterweise waren die Erträge in dieser Studie niedriger und schienen durch den Wassermangel stärker beeinträchtigt zu werden als in früheren Studien an diesem Standort8. Es wurde ein anderer Hybrid als in der vorherigen Studie zum begrenzten Wasser an diesem Standort verwendet. Es ist möglich, dass dieser Hybrid empfindlicher auf Wassermangel reagierte, aber diese Studien wurden in verschiedenen Jahren durchgeführt und die Erträge schwanken auch zwischen den Jahren. Es ist auch möglich, dass die während der späten vegetativen Wachstumsphase auferlegten Wasserbeschränkungen zu lange ausgedehnt wurden, was zu negativen Auswirkungen auf den Ertrag führte, da 50 % der Pflanzen Quasten bildeten, bevor die Pflanzen aus dem Wasserstress genommen wurden. Es ist bekannt, dass Wasserstress den Ertrag von Mais verringert, wenn er während der Blüte und des frühen Samenansatzes auftritt7, und diese Wassereinschränkung könnte sich auf die 50 % der Pflanzen ausgewirkt haben, die vor der Aufhebung der Wassereinschränkungen Quasten zeigten.

Die Wasserverfügbarkeit während der Vegetationsphase ist ein entscheidender Faktor für die Blattfläche und die Photosynthesekapazität, die das Ertragspotenzial stark beeinflusst10. Die Blattfläche war in unserer Studie bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser reduziert (Tabelle 3), ähnlich wie bei Comas et al.8. Allerdings waren Pflanzen unter begrenztem Wasserstand immer noch in der Lage, das Licht vollständig abzufangen und hätten daher über die volle Kapazität zur Kohlenstofffixierung verfügen müssen. Interessanterweise war hier HI, ein Maß dafür, wie effizient das von der Kulturpflanze synthetisierte C dem Getreide im Vergleich zur vegetativen Biomasse zugewiesen wird, bei begrenztem Wasser höher als bei vollem Wasser. Diese effizientere Nutzung von synthetisiertem C stellt eine potenziell wünschenswerte dürretolerante Eigenschaft dar, aber insgesamt wurde der Getreideertrag immer noch durch begrenztes Wasser beeinträchtigt. Obwohl unsere Ergebnisse nicht die Idee stützen, dass begrenztes Wasser die Wasserproduktivität verbessert, stimmen wir mit anderen Studien überein, die darauf hindeuten, dass weitere Forschung erforderlich ist, um herauszufinden, wie und wann begrenztes Wasser zu einer verbesserten Wasserproduktivität für Mais führen kann47, 48.

Im Einklang mit der geringeren N-Aufnahme der Pflanze bei begrenztem Wasser beobachteten wir nach einem Jahr der Behandlungsimplementierung eine entsprechende Anreicherung von NO3− in den tieferen Bodenschichten (30–60 und 60–90 cm) bei begrenztem Wasser im Vergleich zu vollem Wasser. Andere haben auch herausgefunden, dass der NO3−-Gehalt im Boden am Ende der Saison bei begrenztem Wasser höher ist als bei vollem Wasser in Systemen auf Maisbasis16, 49, 50. Tropfbewässerungssysteme, wie sie in dieser Forschung verwendet werden, weisen typischerweise geringere Dünger-N-Auswaschungsverluste auf, da Wasser und Nährstoffe werden direkt an die Wurzelzone abgegeben, was zu einer insgesamt geringeren Tiefenversickerung und einer besseren Synchronisierung der Wasseranwendung mit dem Pflanzenbedarf führt25. Im Gegensatz dazu kommt es bei Hochwasserbewässerungssystemen häufig zu einer übermäßigen Wasserausbringung, insbesondere an der Spitze des Feldes, und dadurch zu größeren Düngerauswaschungsverlusten unterhalb der Wurzelzone51, 52.

Stickstoff, der am Ende der Saison im Boden verbleibt, unterliegt mehreren Verlustwegen, unter anderem durch Auswaschung und gasförmige Flüsse21, oder kann durch Mineralisierung immobilisiert und wieder freigesetzt werden, damit er in den darauffolgenden Saisons von Pflanzen aufgenommen werden kann. Obwohl wir den Verbleib des restlichen NO3− nach der Vegetationsperiode nicht verfolgt haben, wissen wir, dass die aus dem Boden ausgelaugte N-Menge tendenziell mit der Menge des ausgebrachten überschüssigen N zunimmt53. Reststickstoff am Ende der Vegetationsperiode ist selbst in halbtrockenen Umgebungen anfällig für Auswaschung, da selbst kleine Wassermengen (z. B. weniger als 3 cm) in einem lehmigen Sandboden NO3− im Boden um 15–20 cm nach unten bewegen können54 und in der Central Plains-Region kommt es häufig zu großen Frühlingsregenfällen55. Der Rest-NO3− am Ende der Saison stellt daher ein Problem der Umweltzerstörung dar, stellt aber auch eine ineffiziente Nutzung eines teuren Inputs dar, der sich auf den Nettogewinn des Landwirts auswirken könnte.

Die Verfügbarkeit von Wasser und N hatte in dieser Studie keinen signifikanten Einfluss auf die kumulierten N2O-Emissionen. Dies war überraschend, da eine verringerte Wasserverfügbarkeit und Bodenfeuchtigkeit bei begrenztem Wasser die N2O-Emissionen verringern können25, da sowohl die Nitrifikation als auch die Denitrifikation von der Bodenfeuchtigkeit beeinflusst werden56. Die Spitzenemissionen erscheinen bei den hohen und mittleren N-Raten der Vollwasseraufbereitung zunächst höher (Abb. 4). Mehrere kleinere Spitzen in der hohen N-Rate der begrenzten Wasseraufbereitung später in der Saison tragen wesentlich zur kumulativen Emission dieser Aufbereitung bei. Eine mögliche Erklärung ist, dass die bei Flynn et al.25 angewandte extremere Wasserbegrenzung (40 % ET während der späten Vegetationsphase) im Vergleich zur hier verwendeten begrenzten Wasseraufbereitung (75 % ET während der späten Vegetationsphase) zur Reduzierung erforderlich sein könnte Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig sollte die Reduzierung der N-Düngemitteleinträge die für Boden-N2O-Produktionsprozesse verfügbaren N-Substrate verringern und so die N2O-Emissionen senken57, 58. Das Fehlen signifikanter Auswirkungen auf die Wasser- und N-Behandlung deutet darauf hin, dass unsere niedrigsten Bewässerungs- und N-Werte die N2O-Produktion nicht sinnvoll begrenzt haben Wenn alternativ eine geringe N-Düngung eine stärkere N-Mineralisierung förderte, könnte der Emissionsbeitrag der N-Mineralisierung die Verringerung der Emissionen aus Düngemittelquellen ausgeglichen haben.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass wir nur die N2O-Emissionen während der Saison gemessen haben. Es ist möglich, dass die Spitzenwerte während der Saison unterschätzt wurden. Um Unterschätzungen zu minimieren, wurden jedoch während der wochenlangen aktiven Bewässerung zwei Mal pro Woche Proben entnommen. Es ist jedoch möglich, dass sich in der Nebensaison angesammelter N-Rest im Boden bei begrenztem Wasser zu höheren Emissionen im Vergleich zu vollem Wasser entwickelt. Andere Faktoren, die die N2O-Emissionen kontrollieren, könnten unsere Behandlungswirkung ebenfalls unterdrückt haben, darunter Verdichtung, Temperatur, pH-Wert, organische Substanz und Textur59, 60. Die organische Substanz im Boden, die an diesem Feldstandort 1 % der Bodenmasse in den oberen 30 cm ausmachte, könnte dies getan haben war besonders einschränkend. Die Verfügbarkeit von Kohlenstoff im Boden kann die N2O-Emissionen begrenzen, da Kohlenstoff ein wichtiges Substrat und eine Energiequelle für die mikrobielle Aktivität und die damit verbundenen N-Umwandlungen im Boden ist61.

Obwohl es keine Behandlungsunterschiede gab, war der Emissionsfaktor in dieser Studie im Vergleich zu anderen bewässerten Maisanbausystemen mit Sprinklerbewässerung bemerkenswert niedrig, da Tropfbewässerungssysteme die Treibhausgasemissionen effizient mindern62,63,64,65. Dies führte zu einem Emissionsfaktor, der deutlich unter der empirischen Schätzung des IPCC von 1 % lag, die einen linearen Zusammenhang zwischen N-Anwendungen und N2O-Emissionen annimmt.

Unsere Ergebnisse veranschaulichen den Einfluss der Wasserverfügbarkeit auf die N-Dynamik. Wir fanden keine Hinweise darauf, dass eine hohe N-Verfügbarkeit das Pflanzenwachstum bei begrenzter Wasserverfügbarkeit begünstigt. Im Gegenteil führte eine hohe N-Verfügbarkeit sowohl bei begrenztem als auch bei vollem Wasser zu einem erheblichen Rückgang des Getreideertrags und ging mit einem zusätzlichen Risiko schädlicher N-Verluste einher. Natürlich sollte die N-Verfügbarkeit verringert werden, wenn weniger Wasser für die Pflanzenproduktion zur Verfügung steht, aber der N-Bedarf der Pflanzen war nicht linear mit der Wasserverfügbarkeit verbunden. Zusammenfassend unterstreichen unsere Ergebnisse die Notwendigkeit eines besseren Verständnisses der komplexen Dynamik der Pflanzenreaktion auf N- und Wasserverfügbarkeit sowie der N-Prozesse im Boden, die N für Pflanzen verfügbar machen, um ein nachhaltiges N- und Wassermanagement voranzutreiben.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren danken G. Buchleiter und R. Stewart für die Entwicklung eines N-Anwendungssystems; G. Banken für Wasseranwendungen; K. Ascough für Bodenfeuchtigkeitsmessungen; A. Schaeffer für die Unterstützung bei der Sammlung von Treibhausgasproben und M. Smith und J. Frame für die Unterstützung bei der Proben- und Treibhausgasdatenanalyse; und J. von Fischer für Feedback zu einer früheren Version dieses Manuskripts. Diese Arbeit wurde mit Mitteln des USDA-ARS NP211-Projekts 3012-13210-001-000D unterstützt. Das USDA ist ein Anbieter und Arbeitgeber für Chancengleichheit.

Abteilung für Boden- und Pflanzenwissenschaften, Colorado State University, Fort Collins, CO, 80523, USA

Nora E. Flynn, Louise H. Comas und Steven J. Fountain

Abteilung für Wassermanagement und Systemforschung, USDA Agricultural Research Service, 2150 Center Avenue, Bldg D Suite 320, Fort Collins, CO, 80526, USA

Nora E. Flynn und Louise H. Comas

Graduiertenstudiengang in Ökologie, Colorado State University, Fort Collins, CO, 80523, USA

Louise H. Comas, Catherine E. Stewart und Steven J. Fonte

Abteilung für Bodenmanagement und Zuckerrübenforschung, USDA Agricultural Research Service, Fort Collins, CO, 80526, USA

Catherine E. Stewart

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Das Experiment wurde von NEF, LHC und SJFNEF entworfen, analysierte die Daten und erstellte die Abbildungen 1-4. LHC hat Abbildung 5 erstellt. NEF und LHC haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren trugen zur Interpretation der Daten bei und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Louise H. Comas.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Flynn, NE, Comas, LH, Stewart, CE et al. Eine hohe N-Verfügbarkeit verringert die N-Aufnahme und den N-Ertrag bei begrenzter Wasserverfügbarkeit im Mais. Sci Rep 13, 14269 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40459-0

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Eingegangen: 22. März 2023

Angenommen: 10. August 2023

Veröffentlicht: 31. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40459-0

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