Budget and fluxes of nitrogen in mountainous agroecosystems in a summer monsoonal climate under intensive land use

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Kettering, Janine:
Budget and fluxes of nitrogen in mountainous agroecosystems in a summer monsoonal climate under intensive land use.
Bayreuth , 2012 . - 216 S.
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

A balanced nitrogen (N) cycle in intensively managed ecosystems is necessary as it underpins other ecosystem services. This study evaluated the agricultural practices in a typical mountainous catchment in South Korea in respect to N dynamics and their potential effect on water quality with the aim to develop options for a more sustainable catchment management. In the 1st study, we used two approaches to calculate N budgets for the 5 key crops of the basin at the field scale. The gross and net N budgets for all crop types were found to be positive. Based on the small differences between the results of the two approaches we identified fertilizer N as well as soil Nmin as the dominant N input sources. As fertilizer N application was the major N input source (>50%), its reduction is the major scope of action for N savings at the field scale. A closely linked action is the synchronization of fertilizer N with soil Nmin. The large amount of fertilizer that is applied prior to planting (>60%) at the beginning of the monsoon season revealed that split applications could help reducing the fertilizer N additions and increase the low N use efficiencies (NUE). Based on the significant differences between gross and net N surplus for rice and bean fields, we identified the high amount of plant residues remaining after harvesting (>100 kg N ha-1) as a further factor for potential N savings. The 5 main crops accounted for over 80% of the total catchment N surplus (>400 Mg), even though their contribution to the area was only around 20%. A land use shift to perennial crops with lower N inputs was therefore found to be a possible but spatially limited chance to reduce N surpluses at the catchment scale. The comparison of catchment N surplus with stream N export revealed that 73-86% of the agricultural N surpluses were transported to water bodies in the catchment by either leaching or surface runoff. In the 2nd study, we followed the fate of fertilizer N in a ridge and furrow (R/F) cultivation with polyethylene (PE) mulch by using 15N tracer. N leaching was simulated with Hydrus 2D. The comparison of 4 N fertilization levels (0, 150, 250 and 350 kg N ha-1) revealed that already 150 kg N ha-1 is sufficient to reach the maximal yield of radishes. Based on the low results of fertilizer N use efficiency (FNUE), we recommend two applications during the first 25 days of growth and a further application around day 50. These split applications adjusted to the plants’ needs increase the FNUE of the radish and decrease the fertilizer N losses during the growing season. However, split applications might be impractical in plastic covered R/F cultivations because mechanical equipment to apply fertilizer under the PE mulch is required. Based on the finding that 15N retention in soil and nitrate concentration in seepage water decreased similarly for ridges and furrows during the entire growing season, we conclude that the PE mulch had no significant effect on 15N retention in soil and on nitrate concentration in seepage water and did therefore not effectively protect the fertilizer in the ridges from percolation. Based on the simulation results, we found that the ridges and furrows contributed approximately an equal amount of leached N to the total amount. We therefore conclude that the PE mulch provided little protection for the fertilizer N in the ridges during heavy rainfall. N leaching amounts were further found to increase linearly with an increase in N addition rate as it is well known for R/F cultivations without PE mulch. The PE mulch did therefore not prevent the linear increase in leaching with an increase in fertilizer N addition. We summarize that without the use of additional measures such as split applications of fertilizer, the application of PE mulch in a summer monsoon climate with heavy rainfall events does not positively influence the N leaching rates. In the 3rd study, we monitored soil water dynamics in the field and used this data set to simulate the influence of PE mulch on water fluxes with Hydrus 2D. We simulated soil water dynamics in 1) conventional flat tillage (CT); 2) R/F cultivation without PE mulched ridges (RT); and 3) R/F cultivation with PE mulched ridges (RTpm). The comparison of the simulated pressure heads during dry and wet periods revealed that the PE mulch induced significant soil moisture patterns only during the dry periods. During monsoon events, the effect of the PE mulch was dependent on the soil texture and the hydraulic conductivity. Summarizing the advantages and disadvantages of the R/F cultivation with PE mulch on sloped fields, the practice was observed to have the lowest amount of drainage water, the lowest evaporation rates but also the highest surface runoff rates. Hence, PE mulching might be assessed as a tool to reduce percolating water, but it concurrently increases water contribution to the river network by surface runoff.

Abstract in weiterer Sprache

Eine ausgeglichene Stickstoffzufuhr ist in intensiv bewirtschafteten Ökosystemen von großer Bedeutung, da diese ökosystemare Dienstleistungen beeinflusst. Das Ziel dieser Studie lag in der Evaluierung der Stickstoffflüsse und deren potentiellen Auswirkungen auf die Wasserqualität eines typischen landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebiets in Südkorea. In der 1. Studie wählten wir zwei Ansätze zur Erstellung von Stickstoff (N)-Bilanzen der 5 Hauptkulturen des Beckens. Die Brutto- und Netto-N-Bilanzen zeigten für alle 5 Kulturen deutliche N-Überschüsse an. Die geringe Differenz zwischen den Resultaten der zwei Ansätze unterstrich die dominante Stellung des Düngers wie auch des Nmin-Vorrates im Boden als N-Input-Quelle. Da die Düngeraufbringung den größten Anteil (>50%) an den Gesamt-N-Eingaben trug, stellt dessen Reduzierung den besten Handlungsspielraum dar, um N-Überschüsse zu reduzieren. Eine eng verknüpfte Maßnahme stellt zudem dessen Synchronisierung mit dem Nmin-Vorrat im Boden dar. Der große Anteil des N-Düngers (>60%), der vor der Aussaat aufgebracht wird, offenbarte das Potenzial von Mehrfachapplikationen, um N-Überschuss zu reduzieren und gleichzeitig die geringen N-Nutzeffizienzen (NUE) zu erhöhen. Basierend auf den signifikanten Unterschieden zwischen Brutto- und Netto-N-Überschüssen auf Reis- und Bohnenfeldern identifizierten wir den hohen Anteil an Ernteresten (>100 kg N ha-1), der auf den Feldern verbleibt, als eine weitere Maßnahme für N-Einsparungen. Mehr als 80% des Gesamt-N-Überschusses (>400 t) geht auf die 5 Hauptanbaupflanzen zurück, obwohl diese nur einen Flächenanteil von ca. 20% aufwiesen. Ein Landnutzungswechsel hin zu mehrjährigen Pflanzen mit geringeren N-Inputs wurde anhand der Hochskalierung als mögliche, wenn auch räumlich eingeschränkte, Handlung zur Reduzierung der N-Überschüsse identifiziert. Der Vergleich des Gesamt-N-Überschusses mit dem N-Export durch den einzigen Beckenabfluss zeigte, dass 73-86% des N-Überschusses durch Auswaschung und Oberflächenabfluss in die Gewässer des Einzugsgebietes transportiert wurde. In der 2. Studie wurde der Weg des 15N-markierten Düngers in einem typischen Dammanbausystem (R/F-Anbau) mit Polyethylen (PE)-Folie verfolgt. Die N-Auswaschung wurde mit dem Model Hydrus 2D simuliert. Der Vergleich der 4 N-Düngeraten (0, 150, 250 und 350 kg N ha-1) zeigte, dass bereits 150 kg N ha-1 ausreichten, um eine maximale Ernte zu garantieren. Aufgrund der geringen Düngernutzeffizienz (FNUE) empfehlen wir jedoch den Dünger in 3 Raten aufzubringen. Eine geringe Applikation vor der Aussaat, eine zweite nach ca. 15 Tagen und eine dritte nach ca. 50 Tagen. Jedoch muss beachtet werden, dass dies technisches Equipment zur Düngeraufbringung unter der Folie erforderlich macht. Resultierend aus dem Ergebnis, dass die 15N-Retention im Boden sowie die Nitratkonzentration im Sickerwasser ähnliche Abnahmen für die Dämme und die Gräben zeigten, folgern wir, dass die PE-Folie keine signifikanten Einflüsse auf diese zwei Faktoren aufwies und der N-Dünger in den Dämmen nicht effektiv vor Auswaschung geschützt wurde. Basierend auf der Simulation stellten wir fest, dass die Dämme und die Gräben ähnliche Summen zur Gesamt-N-Auswaschung beitrugen. Zusätzlich wurde beobachtet, dass die N-Auswaschung mit steigender N-Düngerate linear zunahm. Diese Zunahme ist für R/F-Anbausysteme ohne PE-Folie typisch. Daher schlussfolgern wir, dass die PE-Folie eine lineare Zunahme der N-Auswaschung nicht verhindern konnte und dass ohne zusätzliche Maßnahmen, wie Mehrfachaufbringung des Düngers, die PE-Folie in monsunbeeinflussten Gebieten keine positive Wirkung auf die N-Auswaschung besitzt. In der 3. Studie wurde zuerst die Bodenwasserdynamik im Feld gemessen, um anhand dieser Daten den Einfluss der PE-Folie auf die Bodenwasserflüsse mit dem Model Hydrus 2D zu simulieren. Der Einfluss der Folie wurde anhand des Vergleichs von R/F-Anbau mit und ohne Folie und Anbau auf flachen Feldern untersucht. Der Vergleich der simulierten Druckhöhen während einer Trockenphase und während eines Regenereignisses zeigte, dass die PE-Folie signifikante Einflüsse auf die Bodenwasserflüsse nur während der Trockenphase aufwies. Durch die vollständige Sättigung bei Starkregenereignissen konnte im Gegensatz dazu kein Einfluss der Folie während Monsunereignissen festgestellt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Dammfolienanbau auf Feldern mit Hangneigung die niedrigste Sickerwasserrate, die niedrigste Evaporationsrate, aber den höchsten Oberflächenabfluss aufwies. Demnach, kann die Dammfolie zwar durchaus als Maßnahme zur Sickerwasserreduzierung angesehen werden, erhöht aber gleichzeitig den Oberflächenabfluss in die Fließgewässer.