NITROGEN RECOVERY AND UPTAKE BY WHEAT AND SORGHUM IN STUBBLE MULCH AND NO TILLAGE SYSTEMS ABSORCIÓN Y RECUPERACIÓN DEL NITRÓGENO POR TRIGO Y SORGO EN LABRANZA CERO Y DE COBERTERA

NITROGEN RECOVERY AND UPTAKE BY WHEAT AND SORGHUM IN STUBBLE MULCH AND NO TILLAGE SYSTEMS ABSORCIÓN Y RECUPERACIÓN DEL NITRÓGENO POR TRIGO Y SORGO EN LABRANZA CERO Y DE COBERTERA Enrique Salazar-Sosa1, Juan A. Leos-Rodríguez2, Manuel Fortis-Hernández1, and Cirilo Vázquez-Vázquez1 1

División de Estudios de Posgrado. Facultad de Agricultura y Zootecnia (FAZ-UJED). Apartado Postal 142-2. Gómez Palacio, Durango. 2Coordinación de Posgrado. Universidad Autónoma Chapingo (UACH). Chapingo, Estado de México. ([email protected])

ABSTRACT

RESUMEN

Stubble mulch till (ST) and no-till (NT) are common tillage systems used in the Southern Great Plains of the United States, where wheat (Triticum aestivum L.) and sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) are grown in rotation with a fallow (one year) period. As farmers in Clovis area of New Mexico State (NM) convert from ST to NT, more information is required on how nitrogen transformations will change. The main objective of this research was to assess the N distribution, uptake and recovery between ST and NT systems. This study was started in 1990 as part of a long-term tillage experiment originally started in 1987. Treatments had a splitplot arrangement in a randomized block design, with three replications. Whole plot consisted of tillage systems (ST and NT) and N fertilizer (0 and 56 kg N ha-1) were the subplots. Labeled

La labranza de mulche (LM) y la labranza cero (LC) son dos sistemas de labranza comunes en las grandes planicies del sur de Estados Unidos en donde el trigo (Triticum aestivum L.) y el sorgo (Sorghum bicolor (L.) Moench) se cultivan en rotación con un año sin cultivo. Dado que los agricultores de la región de Clovis, Nuevo México (NM), utilizan ambos sistemas de labranza, se requiere más información acerca de cómo cambiarán las transformaciones de N. El objetivo principal de este estudio fue comparar la distribución, absorción y recuperación del nitrógeno en ambos sistemas de labranza. Este estudio se inició en 1990 como parte de un experimento a largo plazo de labranza que comenzó en 1987. Los tratamientos se establecieron en un diseño experimental de bloques al azar, con arreglo de parcelas divididas y

urea (56 kg N ha-1) with 10 atom % 15N was applied in microplots located in the middle of each fertilized subplot. Wheat (TAM 105) was planted in September of 1990 and sorghum (hybrid Triumph Two 64Yg) was planted in May 1992. Inorganic-N and 15N movement were higher in ST than in NT as a result of greater N-mineralization in ST than in NT. After wheat harvest, 77.6% and 67.7% of the 15N fertilizer applied to wheat was accounted for NT and ST, respectively. Tillage had no statistically significant effect on wheat or sorghum uptake of 15N fertilizer. Depending on precipitation patterns, the ST system mineralized more inorganic-N that moved deeper in the soil profile than in the NT system, but wheat and grain yield were not significantly affected. Agronomically and environmentally, NT appears as a viable option to the ST system.

tres repeticiones de cada tratamiento. La parcela mayor consistió de los sistemas de labranza (LM y LC) y la menor del fertilizante químico (0 y 56 kg N ha-1). Se aplicó urea marcada con 10 atom % 15N (56 kg N ha-1) en microparcelas localizadas en la parte media de cada parcela menor. El trigo (variedad TAM 105) se sembró en septiembre de 1990 y el sorgo (hybrid Triumph Two 64Yg) se sembró en mayo de 1992. Los resultados indicaron que el N inorgánico y la distribución del 15N fue más alta en LM que en LC. Después de cosechar el trigo, se contabilizó 77.6% y 66.7% del 15N aplicado en LC y LM, respectivamente. Ambos sistemas de labranza no mostraron diferencias estadísticas significativas para la absorción del 15N en trigo o sorgo. Dependiendo de la distribución y cantidad de la lluvia, el sistema LM mineralizó más N inorgánico que penetró más profundamente en el perfil del suelo que el sistema LC; pero el rendimiento de trigo y grano no tuvo un cambio significativo. Agronómica y ambientalmente, parece que LC es una opción viable respecto a LM.

Key words: Sorghum bicolor (L.) Moench, Triticum aestivum L., distribution, long-term experiment, nitrogen balance.

INTRODUCTION Palabras clave: Sorghum bicolor (L.) Moench, Triticum aestivum L., distribución, experimento a largo plazo, balance del nitrógeno.

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N

is used in most of N-uptake studies because it is a stable non radioactive isotope of N, does not decay with time, does not pose a health threat to researchers and it can be used without a permit (Schindler and Knighton, 2000).

INTRODUCCIÓN l 15N utilizado en la mayoría de los estudios de absorción y recuperación de N, es un isótopo estable no radioactivo del N que no se deteriora con el paso del tiempo, no representa una amenaza a la

E

Recibido: Septiembre, 2000. Aprobado: Julio, 2002. Publicado como ARTÍCULO en Agrociencia 36: 433-440. 2002. 433

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However, this use of 15N has two primary draw backs: (i) it is very expensive and limited to small greenhouse or microplot investigations, and (ii) fertilizer N-recovery interpretations are complicated because 15N undergoes biological interchange in the soil system. The main reason to use the isotopic method is because the difference method overestimated recovery of applied urea by 23% to 35% more than isotopic method (Torbert et al., 1992). Stubble till (ST), the predominant tillage system in the Clovis area of the State of New Mexico (USA), consists of a blade plow that undercuts weeds, leaving approximately 85% of the surface residues. The blade plow cuts 10-15 cm below the surface, and the number of blade plow operations during the fallow period depends upon precipitation and weed control requirements. Disk is used when large quantities of residue have accumulated on the soil surface, incorporates 35% of the total residue and cuts approximately 12 cm below the surface (Paustian et al., 1992). Tillage affects N transformations such as mineralization, leaching losses and plant uptake. Data are limited with respect to the effects of ST and no till (NT) systems on N-transformations in the Southern Great Plains. Nitrogen uptake by crops range from 20 to 40% and it is usually attributed to NH3 volatilization and denitrification (De Datta et al., 1998; Freney et al., 1990). Total 15N not accounted for in the plant soil system ranged 30-35% and N-recovery by plant was 35-40% (Bronson et al., 2000). Near Clovis, organic-N and organic-C tended to increase over time when ST was converted to NT (Christensen et al., 1994). Near Amarillo, Texas, organic matter, organic-N, NO3-N, P, and K tended to be higher at the soil surface in NT than in ST (Unger,1991). One limitation of N data from the Southern Great Plains is sampling frequency; often soils are sampled only once during the cropping season. The inadequacy of the data may be due to cost of soil analysis. Thus, knowledge is limited about importance of frequent sampling over several cropping seasons, due to lack of research results. Also, knowledge is limited about long-term effects of tillage systems and soil physical properties on N cycling and availability in dry lands (Rice et al., 1986). Unger (1991) found no differences in NO3-N between NT and ST at depths below 8 cm. Tillage significantly affected N accumulation only in wheat-sorghum-fallow in a soil similar to a Thermic Torrertic Paleustolls (Eck and Jones, 1992); accumulation of NO3-N at 1.2 m was 37 mg kg-1 for ST and 20 mg kg-1 for NT systems. Nitrification in NT is limited primarily by insufficient substrate (NH4) levels, derived from low mineralization; also, in some cases, low pH may slow down nitrification in NT soils by affecting bacterial activity (Rice and Smith, l983). Soils

salud de los investigadores y su uso no requiere de permiso (Schindler y Knighton, 2000). Sin embargo, existen dos problemas: (i) el 15N es muy caro y su uso se limita a los experimentos en microparcelas e invernaderos pequeños, y (ii) la interpretación de los resultados se complica por el hecho de que este isótopo experimenta intercambios biológicos en el suelo. La razón principal por la que se utiliza este método es que el método en diferencias sobrestimó la recuperación de la urea aplicada de 23% a 35% en relación con el isotópico (Torbert et al., 1992). La labranza de mulche (LM), el sistema predominante en el área de Clovis en Nuevo Mexico (EE.UU.), utiliza un arado de reja que corta las malezas por debajo del suelo dejando sobre la superficie aproximadamente 85% de los residuos. La reja hace cortes entre 10 y 15 cm por debajo del suelo y el número de pasos de arado durante el periodo de barbecho, depende de la precipitación fluvial y de los requerimientos del control de las malas hierbas. El arado de discos es usado cuando se han acumulado sobre la superficie grandes cantidades de residuos. Este implemento incorpora al suelo el 35% de los residuos y corta aproximadamente a unos 12 cm por debajo de la superficie (Paustian et al., 1992). El sitema de barbecho afecta las transformaciones del N tales como la mineralización, las pérdidas por lexiviación y la absorción por las plantas. Los datos con respecto a los efectos de los sistemas LM y labranza cero (LC) en las transformaciones del N, son escasos para las grandes planicies del sur de los Estados Unidos. La absorción del nitrógeno por los cultivos varía del 20 al 40% y se atribuye principalmente a la volatilización y desnitrificación del NH3 (De Datta et al., 1998; Freney et al., 1990). El total de 15N no contabilizado en el sistema suelo planta varió entre 30 y 35% y de 35 al 40% el N recuperado por las plantas (Bronson et al., 2000). Cerca de Clovis, el N orgánico y el C inorgánico aumentaron a través del tiempo cuando el sistema de LM fue sustituido por el de LC (Christensen et al., 1994). Cerca de Amarillo, Texas, la materia orgánica, N orgánico, NO3-N, P y K tendió a ser mayor en la superficie del suelo en el sistema de LC que en el de LM (Unger, 1991). La frecuencia del muestreo es una de las limitantes de los datos sobre N en las grandes planicies del sur de los EE.UU.; a menudo los suelos son muestreados sólo una vez durante la temporada de cultivo. Esto puede deberse al costo de los análisis de suelos. Por lo tanto, el conocimiento sobre la importancia de la frecuencia del muestreo a través de varias temporadas de cultivo es limitado debido a la falta de resultados de investigación. De manera similar, el conocimiento acerca de los efectos de largo plazo de los diferentes sistemas de labranza y las propiedades físicas del suelo sobre el ciclo del N y

SALAZAR-SOSA et al.: NITROGEN RECOVERY AND UPTAKE BY WHEAT AND SORGHUM

of Clovis, have a pH of 7.2 in the top 30 cm, which does not affect nitrification. Of the applied 15N enriched urea N 31, 12 and 2% was in the grain, stover and cob frations of corn plants in 1993; in 1994, 32, 7, and 0.7% was in the grain, stover and cob fraction of corn plants (Schindler and Knighton, 2000). Similar results were reported by Walter and Malzer (1990). Mineralization under field conditions has been faster in conventional till and ST than in NT systems (Meisinger et al., 1985; Carter and Rennie, 1987). Conventional till breaks up plant material, mixes residues and accelerates microbial decomposition. Stubble mulch till cuts the soil at 15 cm, increasing aeration and mineralization (Paustian et al., 1992). Recovery of residual N, N-fertilizer and l5N in the soil after the initial cropping season is influenced by subsequent crop and tillage systems. In a sorghum-sudan grass hybrid, recovery of N fertilizer was 3.l to 6.0% during the cropping season (Westerman and Kurtz, l972). NT produced 10% more grain, had 9% greater soil water storage efficiency and 7% fewer erodible-sized soil particles than ST systems (Smika, 1990). Kitur et al. (l984) reported that 28% to 42% of the N fertilizer applied to corn remained in the soil; corn grain recovered 23% to 29% of N-fertilizer in NT and 18% to 22% in conventional till; also, 25% to 29% of 15N-fertilizer applied to conventional and NT systems in corn was leached after three years. NT sorghum accumulated more N-fertilizer (86 kg N ha-1) than conventional till sorghum (80 kg N ha-1), and N was higher in NT (0.76 g N kg-1) than in conventional till systems (0.72 g N kg-1) because of more rapid organic residue decomposition in conventional till after disturbance (Locke and Hons, 1989). Fertilizer N-uptake in crop production systems seldom exceeded 50% and total fertilizer N recovery 15N in the grain and straw winter wheat plus the remaining in the soil, decreased with increasing N application (Raun et al., 1999). As no-till acres increases, N management guidelines need re-examination due to the potential effects of surface residue on N transformation and crop development (Weisz et al., 2001). Limon et al. (2000) indicated that wheat in the Yaqui Valley, Northwest México, is planted as winter crop using high fertilizer N rates. Permanent bed-all straw left as stubble had the highest average wheat grain yields (5.53 Mg ha-1), N use eficiency (29.1 kg grain kg -1) and total N uptake (137 kg ha-1). Also, in most tillage straw treatment, 21% of the difference in wheat in grain yields was due to the N supply component at low N rates. Therefore, the objective of this study was to compare the N distribution, uptake and recovery between ST and NT systems.

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su disponibilidad en las áreas con sequía es limitado (Rice et al., 1986). Unger (1991) no encontró diferencias entre LC y LM en las cantidades presentes de NO3-N a profundidades por debajo de los 8 cm. El sistema de labranza afectó de manera significativa la acumulación de N sólo en la rotación trigo-sorgo con barbecho en un suelo parecido a los Thermic Torrertic Paleustolls (Eck y Jones, 1992); la acumulación de NO3 a 1.2 m fue 37 mg kg-1 en LM y 20 mg kg-1 en LC. La nitrificación en LC está limitada principalmente por la insuficiencia de substrato (NH4), debida a la baja mineralización; en algunos casos también el pH bajo puede retrasar la nitrificación en suelos LC porque afecta la actividad bacteriana (Rice y Smith, 1983). Los suelos de Clovis tienen un pH de 7.2 en los primeros 30 cm lo cual no afecta la nitrificación. De la cantidad aplicada de 15N urea-N31, 12 y 2% estaba en el grano, caña y fracciones de olote de plantas de maíz en 1993; en 1994, el 32, 7 y 0.7% estaba en el grano, caña y fracciones de olote (Schindler y Knighton, 2000). Resultados parecidos fueron reportados por Walter y Malzer (1990). La mineralización en condiciones de campo ha sido más rápida en los sistemas convencionales de labranza y en LC que en LM (Meisinger et al., 1985; Carter y Rennie, 1987). La labranza convencional rompe el material de las plantas, mezcla los residuos y acelera la descomposición microbiana. La LM corta el suelo a una profundidad de 15 cm e incrementa la aireación y la mineralización (Paustian, et al., 1992). La recuperación del N residual, del N fertilizante y del 15N en el suelo después de la temporada inicial de cultivo, está influenciada por las siembras subsecuentes y los sistemas de labranza. En una rotación de sorgo con un híbrido de zacate Sudán, la recuperación de N fue de 3.1 a 6.0% durante el ciclo (Westerman y Kurtz, 1972). El sistema LC produjo 10% más grano, tuvo una eficiencia 9% mayor para almacenamiento de agua y 7% menos partículas de suelo erosionables que el sistema LM (Smika, 1990). Kitur et al. (1984) reportaron que entre 28 y 42% del N aplicado al maíz permaneció en el suelo; el grano de maíz recuperó 23 a 29% del N en LC y 18 a 22% en labranza convencional; además, 25 a 29% del 15N aplicado en LC y labranza convencional se lixivió después de tres años. El sorgo en LC acumuló más N (86 kg N ha-1) que el sorgo en un sistema tradicional (80 kg N ha-1) y el N fue mayor en LC (0.76 g N kg-1) que en un sistema convencional (0.72 g N kg-1) debido a la más rápida descomposición de los residuos orgánicos en los sistemas convencionales, después de la alteración (Locke y Hons, 1989). La absorción del N en los sistemas de producción rara vez excedió el 50% y la recuperación total en el grano y la paja de trigo de invierno del N aplicado como fertilizante 15N más el N que permaneció en el suelo, decreció

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MATERIALS AND METHODS A long-term tillage systems experiment was started in 1987 at the New Mexico State University Agricultural Science Center near Clovis, NM, located on the Western edge of the Southern Great Plains dry land farming region, with 420 mm year-1 average precipitation. Soil is a Pullman sandy clay loam with 46.4% sand, 23.6% silt and 30% clay; it is classified as a fine, mixed thermic, Torrertic Paleustoll. The experiment was a sorghum-sorghum-fallow (one year)-wheatfallow (one year) dry land rotation system. Treatments were arranged in a split-plot structure, using a randomized complete block as the experimental design with three replicates. Whole plots were tillage systems (ST and NT) and subplots N-fertilizer (0 N-fertilizer and a banded rate of 56 kg N ha-1). A N experiment of 15N fertilizer uptake and recovery by wheat and sorghum was conducted in l99l and l992 on the six microplots fertilized with 15N. The microplots were in the middle of the large fertilized subplots established in 1987. Each microplot was 1.02 m wide by 2.44 m long, (2.48 m2) and subdivided into four equal parts. In September 1990, wheat (TAM 105) was sowed. After wheat harvest in July 1991, the microplots were fallowed (one year) until sorghum (hybrid Triumph Two 64Yg) sowing in May 1992. Before sorghum sowing, unlabeled N (56 kg N ha-1) was applied. The data indicated the amount of 15N taken up by wheat and the amount of residual 15N taken up by sorghum. At maturity, crop samples from each microplot was collected (July l99l for wheat and November 1992 for sorghum). Wheat grain and straw were weighed separately. Representative two samples from each microplot were chopped, weighed, dried, and weighed again for gravimetric moisture determination. Straw dry matter (DM) production, grain yield and total DM production were determined. Straw and grain subsamples were ground and analyzed for total N, C and 15N at the University of Nebraska. Sorghum heads were removed and the remaining stubble cut at ground level, and they were weighed separately. Five representative plants (similar in height and weight) from each microplot were chopped, weighed, dried and weighed again for gravimetric water content determinations. Stubble DM production, grain yield and total DM production were determined. Stubble and grain samples were ground and analyzed for total N, C and 15N as in wheat samples. The 15N fertilizer recovery was calculated according to Hauck and Bremner (1976):

% Fertilizer N recovery =

100 P (c - b) f (a - b)

where P = Total N uptake in soil or plant parts (kg ha-1); a = Atom % 15 N in the labeled fertilizer (10%); b = Atom % 15N in the soil or plant parts from unfertilized plots; c = Atom % 15N in the soil or plant parts receiving 15N fertilizer; f = Rate of 15N fertilizer applied (kg ha-1). Fertilizer and non-fertilizer N uptake were calculated as follows:

•

Non-fertilizer N uptake = Total N uptake-(N applied x % fertilizer N recovery).

al incrementar la aplicación de N (Raun et al., 1999). Al aumentar la superficie con el sistema LC se necesita examinar de nuevo las guías para manejo de N debido a los efectos potenciales de los residuos superficiales en la transformación del N y el desarrollo del cultivo (Weiz et al., 2001). Limon et al. (2000) indicaron que el trigo en el Valle del Yaqui, noroeste de México, es sembrado en invierno utilizando dosis altas de N. El promedio de rendimiento más alto de trigo (5.53 Mg ha-1), la mayor eficiencia en el uso de N (29.1 kg grano kg-1) y la mayor absorción total de N (137 kg ha-1), se obtuvieron cuando se dejó una cama permanente de paja como mulching. Además, en la mayoría de los tratamientos con paja, el 21% de la diferencia en el rendimiento de grano en trigo se debió al suministro de N a dosis bajas. Por tanto, el objetivo de este estudio fue comparar la distribución, absorción y recuperación del N entre los sistemas LC y LM.

MATERIALES Y MÉTODOS En 1987 en el Centro de Ciencias Agrícolas de la Universidad Estatal de Nuevo Mexico cerca de Clovis, localizada en el borde occidental de las grandes planicies del sur en la parte seca con un promedio de lluvia de 420 mm año-1, fue iniciado un experimento de largo plazo de sistemas de labranza. El suelo es un Pullman con 46.4% de arena, 23.6% de limo y 30% de arcilla; se le clasifica como un Paleustoll Torrertic fino, térmico mezclado. El experimento fue una rotación en temporal de sorgo-sorgo-descanso (un año)-trigo-descanso (un año). Los tratamientos se establecieron en un diseño experimental de bloques al azar, con arreglo de parcelas divididas y tres repeticiones de cada tratamiento. La parcela mayor consistió de los sistemas de labranza (LM y LC) y la menor del N fertilizante (0 y 56 kg N ha-1 en banda). En 1991 y 1992 se realizó un experimento de absorción y recuperación de 15N por sorgo y trigo en las seis microparcelas fertilizadas con 15N. Cada una medía 1.02 m de ancho por 2.44 m de largo (2.48 m2) y fueron divididas en cuatro partes iguales. En septiembre de 1990 se sembró trigo (TAM 105). Después de su cosecha en julio de 1991, las microparcelas estuvieron en barbecho un año hasta que se sembró sorgo (híbrido Triumph Two 64 Yg) en mayo de 1992. Antes de sembrar sorgo se aplicó N sin marcar (56 kg N ha-1). Los datos indicaron la cantidad de 15N absorbido por el trigo y la cantidad residual de 15N tomada por el sorgo. En la madurez se tomaron muestras de cada microparcela para ambos cultivos (en julio de 1992 para trigo y en noviembre de 1992 para sorgo). El grano y la paja del trigo fueron pesados por separado. Dos muestras representativas de cada microparcela fueron picadas, pesadas y secadas y pesadas de nuevo para determinar la humedad gravimétrica. Se determinó la producción de materia seca de la paja (MS), el rendimiento de grano y el total de materia seca. Se enviaron a la Universidad de Nebraska submuestras de grano y paja molidas para cuantificar el N, C y 15N totales.

SALAZAR-SOSA et al.: NITROGEN RECOVERY AND UPTAKE BY WHEAT AND SORGHUM

•

Fertilizer N uptake = Total N Uptake-Non-fertilizer N uptake.

Tillage systems (ST and NT) were compared with respect to l5N concentration through the soil profile in the N fertilized plots during the wheat-fallow-sorghum experiment (l99l-l992). The study was conducted in microplots planted with wheat (TAM-105) and 15N labeled urea fertilizer (10 atom % 15N; 56 kg N ha-1) to differentiate fertilizer N from soil N. The soil sampling scheme in microplots permitted the following inorganic-N (NO3-N+NO2-N+NH4-N) distribution. Cores were taken at 3 m depth in 15N microoplots using a 5 cm diameter coring tube. The first two samples were taken at 0-l5 and l5-30 cm depths; thereafter samples were taken at 30 cm intervals. 15N distribution through the deepest region of the rooting zone was delineated by 11 soil layers. The intact soil cores were subcored in the field to eliminate contamination by surface soil. The subcores were removed from the chrome-steel tube air dried, placed in sterile plastic bags and stored at room temperature for analysis (Kenney and Nelson, 1982). Analysis of variance was used to test statistical significance between tillage systems and fertilizer subplots; LSD was calculated for mean separation when the F-statistic was significant (p