Steigerung des Wachstums, der Wassernutzungseffizienz und des wirtschaftlichen Nutzens für Mais durch Tropfbewässerung im Nordwesten Chinas

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8392 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Anwendung der Tropfbewässerung wird immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt, es mangelt jedoch derzeit an systematischen Vergleichsanalysen zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Grenzbewässerungsmethode für Mais. In einer siebenjährigen Feldstudie von 2015 bis 2021 wurden die Auswirkungen der Tropfbewässerung (DI, 540 mm) oder der konventionellen Randbewässerungsmethode (BI, 720 mm) auf das Maiswachstum, die Wassernutzungseffizienz (WUE) sowie die Rentabilität bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Pflanzenhöhe, der Blattflächenindex, der Ertrag, der WUE und der wirtschaftliche Nutzen von Mais mit DI deutlich höher waren als mit BI. Die Trockenmasse-Translokation, die Trockenmasse-Translokationseffizienz und der Beitrag der Trockenmasse-Translokation zu Getreide zeigten bei DI einen signifikanten Anstieg von 27,44 %, 13,97 % bzw. 7,85 % im Vergleich zu BI. Im Vergleich zur konventionellen Grenzbewässerung stieg der Ertrag der Tropfbewässerung um 14,39 %, außerdem stiegen die WUE und die Bewässerungswassernutzungseffizienz (IWUE) um 53,77 % bzw. 57,89 %. Der Nettoertrag und der wirtschaftliche Nutzen der Tropfbewässerung waren 1998,87 und 756,58 USD$ hm−1 höher als der von BI. Die Tropfbewässerung erhöhte den Nettoertrag und das Nutzen-Kosten-Verhältnis im Vergleich zu BI um 60,90 % bzw. 22,88 %. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Tropfbewässerung das Wachstum, den Ertrag, die WUE und den wirtschaftlichen Nutzen von Mais im Nordwesten Chinas wirksam verbessern kann. Daher kann die Tropfbewässerung für den Maisanbau eingesetzt werden, um den Ernteertrag und die WUE im Nordwesten Chinas zu steigern, wodurch das Bewässerungswasser um etwa 180 mm eingespart wurde.

Die Verteilung der Wasserressourcen in China ist ungleichmäßig, was sich im reichen Südosten und im Mangel an Nordwesten manifestiert. Der Mangel an Wasserressourcen ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die Entwicklung der Landwirtschaft in Nordchina einschränkt1. Derzeit macht der landwirtschaftliche Wasserverbrauch Chinas mehr als 70 % des gesamten Wasserverbrauchs aus, und Bewässerungswasser macht 90–95 % des landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs aus2. In der nordwestlichen Region mit relativ geringen Wasserressourcen sind Baumwolle, Weizen und Mais die Hauptanbauprodukte. Das Pflanzenwachstum hängt eng mit der Wasserverfügbarkeit zusammen3. Die wirtschaftliche und effektive Nutzung der Wasserressourcen sowie die Umsetzung sinnvoller Bewässerungsmaßnahmen sind die Kernfragen der landwirtschaftlichen Produktion4,5. Daher ist es unerlässlich, die Bewässerungsmethode zu optimieren, um die WUE zu verbessern.

Aufgrund der Unterschiede zwischen verschiedenen Bewässerungstechnologien konzentriert sich ein erheblicher Teil der Agrarforschung auf die Verbesserung der WUE und die Wassereinsparung ohne Ertragseinbußen6. Konventionelle Grenzbewässerung weist eine hohe Bewässerungsquote, eine schlechte Gleichmäßigkeit, eine schwierige Kontrolle und eine starke Feldverdunstung auf, was eine weitere Verbesserung des Ertrags und der WUE7 erschwert. Bei der Tropfbewässerungstechnologie handelt es sich um eine neuartige Oberflächenbewässerungstechnologie zur Entwicklung einer wassersparenden Landwirtschaft8, die sich bei der Wassereinsparung und Ertragssteigerung als erfolgreich erwiesen hat. Suryavanshi et al.9 fanden heraus, dass die Tropfbewässerung die Weizenerträge im Vergleich zur Sprinkler- und Poolbewässerung steigerte. Zhang et al.10 und Liu et al.11 fanden heraus, dass die Tropfbewässerung bei 30 kPa im Vergleich zur Furchenbewässerung den Ertrag um 4,3–15 % steigerte, den Nettogewinn um 3,1–23 % erhöhte und den Wasserverbrauch um 57 % reduzierte. Raina et al.12 fanden heraus, dass die Tropfbewässerung neben einer Einsparung von 54 % Bewässerungswasser auch zu einem um 40 % höheren Fruchtertrag im Vergleich zur Oberflächenbewässerung führte. Aufgrund der unterschiedlichen Bewässerungsmenge und Bewässerungsintensität verschiedener wassersparender Bewässerungstechniken13 wirkt sich die Bewässerungsmethode direkt auf das Wachstum und die Entwicklung von Mais aus14. Forschungsergebnisse von Qin et al.15 zeigen, dass Tropfbewässerung bei verschiedenen Bewässerungsmethoden nicht nur die Rolle der Wassereinsparung erfüllt, sondern auch beim Wachstum von Mais eine Rolle bei der Steigerung der Produktion spielen kann. O'Neill et al.16 zeigten, dass durch die Furchenbewässerung zur Produktion der gleichen Anzahl Maiskörner durch unterirdische Tropfbewässerung fast 30 % des gesamten Wasserverbrauchs (Bewässerung, Regenwasser, Bodenwasser) eingespart werden, während die Sprinklerbewässerung fast 8 % einspart. des Wasserverbrauchs. Mehriya et al.17 berichteten, dass bei Tropfbewässerung eine maximale Wassernutzungseffizienz von 5,7 kg hm−1 und eine Wassereinsparung von 39,04 % beobachtet wurden.

Bisher konzentriert sich die Bewässerungsforschung nicht nur auf die Förderung des Maiswachstums, sondern auch auf Ertrag, Wasserverteilung, Wassernutzungseffizienz usw. Es gibt nur wenige langfristige Vergleichsstudien zur Tropfbewässerung und zur konventionellen Grenzbewässerung im Nordwesten Chinas. Der Mangel an Langzeitforschung kann nicht systematisch erklären, wie viel Nutzen die wassersparende Bewässerung der Maisproduktion im Nordwesten Chinas gebracht hat. Wir gehen davon aus, dass die Tropfbewässerung im Vergleich zur konventionellen Grenzbewässerung den Vorteil hat, das Maiswachstum zu fördern, die WUE zu verbessern und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Viele dieser früheren Arbeiten waren quantitative Bewertungen kurzfristiger Auswirkungen (≤ 2 Jahre) und beschränkten sich auf einen bestimmten Aspekt (Bodenbedingungen oder Pflanzeneigenschaften). Für Xinjiang, China, liegen keine veröffentlichten Ergebnisse zur langfristigen Tropfbewässerung im Vergleich zur konventionellen Grenzbewässerung für Mais vor. In dieser Arbeit, die auf dasselbe Forschungsgebiet abzielt, wurden die Auswirkungen von Tropfbewässerung und konventioneller Grenzbewässerung auf das Maiswachstum, die IWUE und den wirtschaftlichen Nutzen anhand von 7 Jahren vergleichender Experimente unter derselben Bodentextur und demselben Pflanzmodus untersucht. Daher liefert diese Analyse eine wissenschaftliche Grundlage für die Förderung und Anwendung wassersparender Bewässerungsmethoden für den Maisanbau und eine theoretische Grundlage für die nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft in Trockengebieten.

Von 2015 bis 2021 wurden Feldexperimente in der Crop Water Use Experiment Station des Landwirtschaftsministeriums in der Stadt Shihezi im Norden Chinas (86° 09′ E, 45° 38′ N) durchgeführt jährliche durchschnittliche Sonnenscheindauer von etwa 2770 Stunden. Die kumulierte Temperatur über 10 °C beträgt 3649 °C. Der durchschnittliche jährliche Niederschlag beträgt 125,0–207,7 mm und die durchschnittliche jährliche Verdunstung beträgt 1942 mm. Die maximalen/minimalen Temperaturen und mittleren Niederschläge für die Wachstumssaison in 7 Jahren während der Maiswachstumsperioden sind in Abb. 1 dargestellt. Die Grundwassertiefe variiert in verschiedenen Jahren zwischen 2 und 3 m. Der Bodentyp ist grauer Wüstenboden. Die siebenjährigen Durchschnittswerte der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Meteorologische Variation während der Maiswachstumsperioden von 2015 bis 2021. (a) Tägliche Durchschnittstemperatur. (b) Monatlicher effektiver Niederschlag.

In der Studie wurde ein Feldversuchsaufbau bestehend aus drei Wiederholungen mit Tropfbewässerung (DI) und konventioneller Randbewässerung (BI) verwendet. Die Bewässerungsquote der Tropfbewässerung betrug 540 mm, während die Bewässerungsquote der konventionellen Grenzbewässerung 720 mm betrug, was sich auf die Bewässerungsmenge der örtlichen Landwirte bezieht. Bei der Tropfbewässerung wird ein integriertes Wasser- und Düngemittelbewässerungsmodell verwendet. Bei der herkömmlichen Grenzbewässerung wird das Sämlingswasser mit Saatdünger gesät, und bei der späteren Bewässerung wird der einfache Wasser- und Dünger-Integrationsmodus übernommen. Die Bewässerungs- und Düngungsniveaus in jeder Wachstumsperiode und während der gesamten Wachstumsperiode sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Aussaat-, Ernte- und Probenahmezeiten für Mais mit Tropfbewässerung sind in Tabelle 3 aufgeführt. Unter Berücksichtigung der geringfügigen Auswirkungen verschiedener Bewässerungsmethoden wurden die 6 Parzellen getrennt Die Abgrenzung zu angrenzenden Grundstücken erfolgte durch 2,2 m breite Isolierstreifen, wobei die Größe jedes Grundstücks (110 m2) 20 m lang und 5,5 m breit war. In jeder Parzelle wurden ein Wassermessgerät und ein Düngertank installiert, um die Menge des ausgebrachten Bewässerungswassers bzw. Düngers zu überwachen.

Zum Verlegen von Tropfbändern, Kunststofffolie und zur Aussaat wurde ein Fugenpflanzer verwendet. Die Pflanzdichte betrug im Versuch 1,26 × 105 hm−2. Die Pflanzen wurden abwechselnd in breiten und schmalen Reihen von 0,8 m und 0,3 m gesät, der Abstand zwischen den Pflanzen innerhalb einer Reihe betrug jeweils 14,4 cm (Abb. 2, der Abstand zwischen den Tropfbändern betrug 110 cm). Die Schädlings- und Unkrautbekämpfung folgte den herkömmlichen Praktiken in der Region.

Schema der Tropfbewässerung und konventionellen Randbewässerung für den Maisanbau.

Als Versuchssorte wurde die in Nordchina häufig angebaute Maissorte „ZD958“ verwendet. Zhengdan 958 war der Nachkomme der Inzucht Zheng 58 und Chang 7-2 (Hinterlegungsnummer 20000009), die in China zugelassen sind. In dieser Studie wurden die Samen von Zhengdan 958 von Beijing Denong Seed Technology Co. Ltd. bereitgestellt. Experimentelle Forschung und Feldstudien an Pflanzen entsprachen den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Der im Experiment verwendete Harnstoff (N ≥ 46,4 %, Granulat) wurde von Xinlianxin Co, Ltd. (Xinjiang, China) hergestellt. Monoammoniumphosphat (N ≥ 12 %, P2O5 ≥ 61 %, Pulver) wird von Guizhou Kai Phosphorus Group Co., Ltd. (Guiyang, China) hergestellt. Kaliumsulfat wird von Luobupo Potassium Salt Co., Ltd. (Xinjiang, China) hergestellt.

Die Bewässerungswasserquelle war ein Tiefbrunnen mit einer Tiefe von 100 m; der Salzgehalt des Wassers betrug 0,2–0,3 g L−1. Der Typ des Tropfbewässerungsbandes war ein einflügeliges Labyrinth-Tropfbewässerungsband (WDF16/2.6–100), hergestellt von der Xinjiang Tianye Company (Shihezi, China). Die Wandstärke betrug 0,18 mm, der Innendurchmesser 16 mm, der Tropflochabstand 300 mm, der Nenndurchfluss 2,0 L h−1 und der Arbeitsdruck 0,1–0,15 MPa.

Zehn Maispflanzen mit ähnlichem Wachstum wurden aus jeder Behandlung im Blüte- und Reifestadium zufällig ausgewählt und die Höhe vom Boden bis zur Spitze der Maispflanzen wurde mit einem Maßband gemessen18.

Aus den zentralen Reihen jeder Parzelle wurden zehn repräsentative Pflanzen ausgewählt, um die grüne Blattfläche (GLA) im Blüte- und Reifestadium zerstörungsfrei zu bestimmen. Blattlänge (L) und maximale Breite (W) wurden aufgezeichnet und zur Berechnung der GLA verwendet.

Dabei ist N die Anzahl der Pflanzen innerhalb einer Flächeneinheit und S die Flächeneinheit19.

Das Chlorophyllmessgerät SPAD-502 (Minolta, JPN) wurde verwendet, um die Ährenblätter von zehn Maispflanzen zu bestimmen, die zufällig und kontinuierlich im Blüte- und Reifestadium ausgewählt wurden.

Zum Zeitpunkt der Blüte und Reife des Mais wurden aus jeder Behandlung zufällig vier Maispflanzen mit gleichmäßigem Wachstum ausgewählt, mit einer Schere von der Unterseite der Stängel der Pflanzen abgeschnitten und die Blätter, Stängel und Fortpflanzungsorgane20 zu einem späteren Zeitpunkt archiviert Säcke abgefüllt und in Frischgewicht gewogen, anschließend wurde das Gewicht der Trockenmasse mit der Trocknungs- und Wiegemethode gemessen. Alle Pflanzenproben wurden 30 Minuten lang auf 105 °C erhitzt und dann bei 85 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Jede Pflanzenfraktion wurde gewogen, um ihr Trockenmassegewicht zu ermitteln.

Feldprobenentnahmen und Untersuchungen wurden im Blütestadium (15. Juli 2015, 17. Juli 2016, 20. Juli 2017, 18. Juli 2018, 14. Juli 2019, 15. Juli 2020 und 19. Juli 2021) und im Reifestadium ( 24. August 2015, 25. August 2016, 28. August 2017, 25. August 2018, 22. August 2019, 2. September 2020 und 27. August 2021) von Mais.

Während der Reifezeit des Mais wurde für jede Parzelle eine Zufallsprobenahme durchgeführt. An jedem Punkt wurden nacheinander zwanzig Maispflanzen ausgewählt, die Länge der Rispen, die Anzahl der Reihen und die Länge der Kahlheit gemessen und dann die Ähren des Mais gedroschen. Das Getreide wurde an der Luft getrocknet und gewogen (sogenannte 1000-Korn-Masse und Gesamtkornmasse) und dann in den Ertrag pro Hektar umgerechnet. Kornertrag und Kerngewicht wurden bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 14 % ausgedrückt.

Ertrag (kg hm−2) = 20 Korngewicht (g)/20 Rispen × 126.000/1000 × [1 − Kornfeuchtigkeitsgehalt (%)]/(1 − 14 %)21.

Trockenmasse-Translokation (kg·hm−2) = Stängel- und Blatttrockenmasse im Blütestadium − Stängel- und Blatttrockenmasse im Reifestadium;

Effizienz der Trockenmasseübertragung (%) = Trockenmassetranslokation/Stamm- und Blatttrockenmasse im Blütestadium ×100;

Beitrag der Trockenmasse-Translokation zum Getreide (%) = Trockenmasse-Translokation/Kornertrag × 10022.

Die saisonale Verdunstungs-Transpiration (ET) wurde mithilfe des Wasserhaushaltsansatzes geschätzt

wo P, Niederschlag; Ich, Bewässerung; Cp, Beitrag durch Kapillaraufstieg aus dem Grundwasser; Dp, tiefe Versickerung; Rf, Abfluss; ΔS = Sf − Si, Änderung der Bodenwasserspeicherung im Profil; wobei Si die Bodenwasserspeicherung im Profil bei der Aussaat und Sf die Bodenwasserspeicherung im Profil bei der Ernte bedeutet.

Aufgrund der Grundwassertiefe zwischen 2 und 3 m wurde davon ausgegangen, dass Cp vernachlässigbar ist. Dp wurde oberhalb von 90 cm als vernachlässigbar angesehen, da sich die Bodenfeuchtigkeitsspeicherung unterhalb von 90 cm Bodentiefe vernachlässigbar veränderte. Es gab keinen Abfluss (Rf) vom Feld, da alle Parzellen mit Dämmen versehen waren. ΔS, die Bodenwasserspeicherung zur Aussaatzeit ist ähnlich der zur Erntezeit, was vernachlässigt werden kann. Daher,

wobei Y der Kornertrag von Mais ist.

Die Berechnungsformel für die Bewässerungswassernutzungseffizienz24 (kg m−3) lautet

Um die wirtschaftlichen Vorteile von Tropfbewässerung und konventioneller Grenzbewässerung einfach vergleichen zu können, wurden die jährliche Landmiete, Maschinen, Saatgut, Pestizide, Versicherungen, Arbeitskräfte und Düngemittel auf den gleichen Preis festgelegt. Der Nettoertrag pro Hektar aller Behandlungen wurde berechnet, indem die Pflanzkosten vom Gesamtertrag abgezogen wurden. Das Verhältnis von Nutzen zu Kosten (B:C) wurde anhand der Formel in Gleichung25 berechnet:

Nutzen-Kosten-Verhältnis = Bruttoertrag (USD$ hm−1)/Anbaukosten USD$ hm−1

Das Papier verwendet 7-Jahres-Durchschnittsdaten. Alle Daten wurden statistisch mit SPSS 25.0 analysiert, einschließlich einfaktorieller ANOVA und mehrfachem Mittelwertvergleich unter Verwendung des LSD-Tests (Least Significant Difference) (α = 0,05). Die Zahlen wurden mit Origin 2018 und Excel 2016 erstellt. Der Duncan-Test wurde durchgeführt, um mehrere Vergleiche durchzuführen und signifikante Unterschiede zwischen den Mittelwerten verschiedener Behandlungen zu ermitteln. Unterschiede wurden als statistisch signifikant angesehen, wenn p < 0,05.

Die Tropfbewässerung beeinflusst den Maiswachstumsindex in unterschiedlichem Maße. Die Pflanzenhöhe, der Blattflächenindex und der SPAD von durchschnittlichem DI-Mais waren höher als die von BI. Im Vergleich zu BI erhöhte sich die Pflanzenhöhe im Blütestadium der Tropfbewässerung um 7,92 % und im Reifezeitraum um 5,95 % (Abb. 3). Der Blattflächenindex zeigte, dass DI im Blütestadium 22,24 % höher war als BI. Im Reifestadium war DI um 24,70 % höher als BI (Abb. 4). Der SPAD der Tropfbewässerung stieg im Vergleich zum BI im Blüte- und Reifestadium um 3,82 % bzw. 3,65 % (Abb. 5). Im Allgemeinen hatten unterschiedliche Bewässerungsmethoden großen Einfluss auf die Pflanzenhöhe und den Blattflächenindex von Mais, und es gab keinen signifikanten Unterschied in der SPAD zwischen verschiedenen Behandlungen. Verschiedene Bewässerungsmethoden haben spezifische Beziehungen zur Maispflanzenhöhe, zum Blattflächenindex und zum SPAD.

Pflanzenhöhe zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Randbewässerung im Blüte- und Reifestadium von Mais. (a) Pflanzenhöhe im Blütestadium von Mais. (b) Pflanzenhöhe bei Maisreife.

Blattflächenindex zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Randbewässerung im Blüte- und Reifestadium von Mais. (a) Blattflächenindex im Blütestadium von Mais. (b) Blattflächenindex zum Zeitpunkt der Reife von Mais.

SPAD zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Randbewässerung in der Blüte- und Reifephase von Mais. (a) SPAD im Blütestadium von Mais. (b) SPAD zum Zeitpunkt der Maisreife.

Bewässerungsmethoden beeinflussten die Biomasseakkumulation von Mais im Blüte- und Reifestadium erheblich (p < 0,05). Im Vergleich zu BI stieg die Biomasse der Fortpflanzungsorgane bei der Tropfbewässerung um 11,61 %, die Biomasse der Stängel bei der Tropfbewässerung um 8,79 %, die Biomasse der Blätter bei der Tropfbewässerung um 14,31 % und die Gesamtbiomasse bei der Blüte um 10,20 % Stufe (Abb. 6). Die Trockenmasseansammlung von Mais im Reifestadium ist in Abb. 7 dargestellt. Die Biomasse der Fortpflanzungsorgane war unter DI um 5,78 % höher als unter BI, die Blattbiomasse nahm um 8,17 % zu, die Stängelbiomasse stieg um 8,55 % und die Gesamtbiomasse stieg um 6,75 % , jeweils. Die Fortpflanzungsorgane, Blätter, Stängel und die Gesamtbiomasse von Mais im Reifestadium waren höher als die von BI.

Ansammlung von Trockenmasse im Blütestadium von Mais zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Randbewässerung.

Trockenmasseansammlung im Reifestadium von Mais zwischen Tropfbewässerung und konventioneller Grenzbewässerung.

Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, dass die Tropfbewässerung, mit Ausnahme der Reihenzahl pro Ähre, den Maisertrag und seine Bestandteile signifikant beeinflusste. Es ist zu erkennen, dass der Ertrag von Mais DI deutlich höher war als der von Mais. Der durchschnittliche Ertrag von Mais DI war 1644,51 kg hm−2 höher als der unter BI, und die Steigerungsrate betrug 14,39 %. In Bezug auf Ertragsstruktur, Ährendurchmesser, Kornzahl pro Reihe, Reihenzahl pro Ähre und 1000-Korn-Gewicht zeigte sich, dass die Tropfbewässerung größer war als die herkömmliche Randbewässerung und die Ertragskomponenten deutlich um 2,69 %, 8,97 %, 2,84 % und 7,87 zunahmen %.

Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, dass die Bewässerungsmethoden den Biomassetransfer und die damit verbundenen Indikatoren erheblich beeinflusst haben. Die Trockenmassetranslokation von DI war 27,44 % höher als die von BI. Die Trockensubstanzübertragungseffizienz von DI betrug 59,22–85,04 % und die von BI betrug 49,72–75,63 %. Die Trockensubstanzübertragungseffizienz von DI war 13,97 % höher als die von BI. Der Trockenmassebeitrag von DI war 7,85 % höher als der von BI. Im Allgemeinen war die Tropfbewässerung der konventionellen Randbewässerung hinsichtlich der Trockenmasseumlagerung, der Trockenmasseübertragungseffizienz und des Kornbeitrags überlegen, was sich vorteilhafter auf die Verbesserung des Maisertrags auswirkte.

Die Wassernutzungseffizienz (WUE) ist der Standard für den Vergleich der Wirtschaftlichkeit landwirtschaftlicher Wassernutzungseinheiten unter verschiedenen Bewässerungsmethoden (Tabelle 6). Im Vergleich zu BI stieg der IWUE von DI um 0,99, 1,10, 1,15, 1,36, 1,37, 1,24 bzw. 1,48 kg m−3. Der WUE von DI stieg in 7 Jahren um 0,82, 0,88, 0,89, 1,18, 1,12, 1,14 und 1,36, was 53,77 % höher war als der von BI. Der durchschnittliche IWUE von DI war 57,90 % höher als der von BI. Die Tropfbewässerung verbesserte die WUE- und IWUE-Werte von Mais und trug erheblich zur Wassereinsparung bei.

Nach Abzug der Gesamtkosten ist das Nettoeinkommen von DI deutlich höher als das von BI (Tabelle 7). 7-Jahres-Bruttokosten basierend auf den gleichen Kriterien. Die Bruttokosten von BI sind um 3,89 % höher als die von DI. Im Vergleich zu BI stiegen Bruttorendite, Nettorendite und Nutzen-Kosten-Verhältnis (B:C) von DI um 18,50 %, 60,90 % und 22,88 %. Die wirtschaftlichen Nettoerträge wurden durch Subtraktion der Inputs von den Outputs berechnet. Zu den Inputs gehören Landpachtkosten, Saatgut, chemische Düngemittel, Pestizide, Maschinen und Arbeitskräfte. Tropfbewässerung kostet weniger als herkömmliche Grenzbewässerung: 91,41 USD$ hm−1, Nettoeinkommen mehr als 756,58 USD$ hm−1.

Im Vergleich zur herkömmlichen Randbewässerung weist die Tropfbewässerung die Merkmale eines kurzen Bewässerungszyklus26 und einer offensichtlichen Trocken-Nass-Grenzfläche mit mäßiger Bodenfeuchtigkeit27 auf, was das Wachstum von Mais begünstigt. Tropfbewässerung fördert das Maiswachstum und steigert den Ertrag im Vergleich zur herkömmlichen Randbewässerung. Diese Studie zeigte, dass die Tropfbewässerung im Vergleich zur herkömmlichen Randbewässerung die durchschnittliche Gesamtbiomasse in der Blüte- und Reifephase um 10,20 % und 6,75 % steigerte und den Ertrag um 10,67 % steigerte. Sandhu et al.28 fanden heraus, dass Mais und Weizen unter Tropfbewässerung eine signifikante Steigerung des Getreideertrags von 13,7 % bzw. 23,1 % im Vergleich zur Furchenbewässerung zeigten. Xu et al.29 fanden den niedrigsten Kornertrag bei Regenmais, wohingegen die Tropfbewässerungsmethode den Kornertrag um 14 % steigerte und 40 % Wasser sparte als herkömmliche Randbewässerung. Zhang et al.30 berichteten, dass die Tropfbewässerung unter Folie die Biomasse von Mais im Vergleich zur herkömmlichen Bewässerung deutlich erhöhte und die Biomasse im Reifestadium um 6,90 % zunahm. Die Studie von Li et al.31 ergab, dass die Tropfbewässerung die Trockenmasse in der Wachstumsphase und die Biomasse in der Reifephase um 4,9–11,1 % erhöhte. Die Ergebnisse früherer Studien ähneln denen dieser Studie. Tropfbewässerungstechnologien nutzen die Vorteile von Tropfbewässerung und Filmmulch und schaffen so geeignete Wachstumsbedingungen für Pflanzen in Ackerbodenschichten32. Durch die Hochfrequenzbewässerung wird bei der Tropfbewässerung langsam eine kleine Menge Wasser an die Wurzeln der Kulturpflanzen abgegeben, so dass die Kulturpflanzen immer unter besserem Wasser stehen und das periodische übermäßige Wasser und Wasserdefizit, das durch die herkömmliche Bewässerung verursacht wird, vermieden wird33. Daher fördert die Tropfbewässerung das Maiswachstum. Die Ergebnisse zu Maiswachstum und -ertrag in dieser Studie ähneln denen früherer Studien. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Tropfbewässerung positiv auf das Maiswachstum und die Ertragssteigerung auswirkte. Die Hauptgründe dafür sind: (1) unterschiedliche Bewässerungsmethoden. Die Tropfbewässerung unter Folie veränderte den Wasserversorgungsort und die Bewässerungshäufigkeit und beeinflusste so die Infiltrationsart und die Verteilungseigenschaften des Bewässerungswassers, wodurch der effektive Wassergehalt in der Maiswurzelzone erhöht wurde, was sich positiv auf das Maiswachstum und damit auf einen höheren Maisertrag auswirkte. (2) Unterschiedliche Bewässerungsquoten. Viele frühere Studien haben gezeigt, dass die beste Bewässerungsquote für Mais im Norden von Xinjiang bei etwa 540 mm liegt. Zu viel oder zu wenig trägt nicht zur Ertragsverbesserung bei. (3) Unterschiedliche Bewässerungs- und Düngezeitintervalle. Die Erhöhung der Bewässerungshäufigkeit vergrößerte die Oberfläche und das Gewicht der unteren Wurzel, bewegte die Wurzel nach außen, vergrößerte das Volumen des Ellipsoids und förderte das Wachstum von Mais.

Bei der Tropfbewässerung werden Wasser und Dünger durch Hochfrequenzbewässerung direkt und langsam in den Boden der Pflanzenwurzeln getropft34, wodurch ellipsoide oder kugelförmige Nasskörper in der Wurzelzone entstehen, was für die Pflanzen von Vorteil ist, wenn sie Wasser aus dem Boden aufnehmen, und tiefe Leckagen effektiv reduzieren kann35. Da das Wasser der Tropfbewässerung hauptsächlich im Wurzelbereich von Mais verteilt wird, wirkt es sich positiv auf die Aufnahme und Nutzung der Pflanzen aus und verbessert so die Wassernutzungseffizienz36. Daher weist die Tropfbewässerung bessere WUE- und IWUE-Werte auf als die herkömmliche Randbewässerung für Mais. Der WUE von Nutzpflanzen ist ein wichtiger Index zur Messung der Wasseraufnahme und Nutzungseffizienz von Nutzpflanzen. Diese Studie zeigt, dass der durchschnittliche WUE der Tropfbewässerung 3,01 % und der der konventionellen Grenzbewässerung 1,96 % beträgt und der durchschnittliche IWUE der Tropfbewässerung 3,38 % und der der konventionellen Grenzbewässerung 2,14 % beträgt, und die Wasserproduktionseffizienz wird um 57,90 % erhöht. Die Effizienz der Wasserproduktion wird um 53,77 % gesteigert. Studien von Xiong et al.37 haben gezeigt, dass intermittierende Bewässerung die Wassernutzungseffizienz im Vergleich zur konventionellen Bewässerung um mindestens 18,2 % steigert. Rasool et al.38 fanden heraus, dass im Vergleich zur Furchenbewässerungsbehandlung bei Tropfbewässerungsbehandlungen Wassereinsparungen von 33,4–60,0 % erzielt wurden. Ghamarnia et al.39 zeigten, dass im Vergleich zur lokalen konventionellen Furchenbewässerung das saisonale Bewässerungswasser von Tropfbewässerungsmais durch den Einsatz verschiedener Tropfbewässerungsbänder und Oberflächenbehandlungen in Kombination mit Boden- und Wasserüberwachung um 36–81 % eingespart wurde. Fonteyne et al.40 zeigten, dass unter herkömmlichen Bodenbearbeitungsbedingungen durch Tropfbewässerung im Vergleich zur Furchenbewässerung eine Wassereinsparung von durchschnittlich 36 % erzielt werden konnte, während durch Tropfbewässerung und konservierende Landwirtschaft zusammengenommen eine Wassereinsparung von 40 % im Vergleich zur Furchenbewässerung erzielt wurde. Diese stimmten mit unseren Ergebnissen überein. Die Tropfbewässerung verbessert nicht nur die Effizienz der Bewässerungswassernutzung, sondern erzielt auch den Effekt einer wassersparenden Bewässerung. Durch die groß angelegte Popularisierung und Anwendung der Tropfbewässerungstechnologie im Nordwesten Chinas wurden erhebliche wirtschaftliche, soziale und ökologische Vorteile erzielt.

Unter der Bedingung einer grundlegenden Bewässerungsmenge im Nordwesten Chinas förderte die Tropfbewässerung im Vergleich zur herkömmlichen Grenzbewässerung das Maiswachstum, die Ansammlung von Trockenmasse und die WUE und steigerte dadurch den Ertrag. Im Vergleich zur herkömmlichen Grenzbewässerung ist die Tropfbewässerung eine wassersparende, ertragreiche und hocheffiziente Bewässerungsmethode für den Maisanbau im Nordwesten Chinas. Der Maisertrag bei Tropfbewässerung war um 14,39 % höher als bei herkömmlicher Grenzbewässerung, die Wassernutzungseffizienz wurde um 43,48–68,09 % erhöht, die Bewässerungswassernutzungseffizienz wurde um 47,63–70,60 % erhöht und die wirtschaftliche Effizienz stieg um 756,58 USD $ hm−1. Die Tropfbewässerung wird in Zukunft zu einer wirksameren Maßnahme für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung, wodurch das Bewässerungswasser um etwa 180 mm eingespart werden konnte.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Der Autor dankt dem Fonds für die Unterstützung der Fertigstellung der Studie. Die Autoren danken der Versuchsstation für Nutzwassernutzung des Landwirtschaftsministeriums für die Bereitstellung von Versuchsstandorten und technischer Unterstützung. Wir danken Lehrern, Schülern und Mitarbeitern, die zu dieser Studie beigetragen und sie angeleitet haben. Wir möchten auch den Gutachtern dafür danken, dass sie uns bei der Verbesserung unseres Originalmanuskripts geholfen haben.

Diese Arbeit wurde durch Forschung und Anwendung der Tropfbewässerung, Wasser- und Düngemittelregulierung, Startprojekt für hochrangige Talente der Yili Normal University (2023RCYJ01) unterstützt. Der Jugendführungsplan für das Corps (2018CB026), die National Natural Science Foundation of China (31460550), der Plan zur Neuentwicklung von Schlüsselindustrien in Süd-Xinjiang (2021DB015) und das Technology Research and Achievement Transformation Project (2016AC008).

Hochschule für Ressourcen und Umwelt, Yi Li Normal University, Yi Li, Xinjiang, 835000, China

Mengjie Liu & Fei Liang

Hochschule für Ressourcen und Umwelt, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, 830052, China

Mengjie Liu & Hongtao Jia

Institut für Wasserschutz und Bodendüngung in der Landwirtschaft, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Science, Shihezi, 832000, China

Mengjie Liu, Fei Liang, Quansheng Li, Guodong Wang und Yuxin Tian

School of Water Conservancy and Construction Engineering, Shihezi University, Shihezi, 832000, China

Mengjie Liu

College of Grassland, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, 830052, China

Yuxin Tian

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ML: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Datenkuratierung, Schreiben – Originalentwurf, Visualisierung. FL: Konzeptualisierung, Validierung, Datenkuratierung, Projektverwaltung, Finanzierungseinwerbung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. QL, GW und YT: Datenkuration, Untersuchung, Ressourcen. HJ: Methodik, Validierung, Überwachung, formale Analyse, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Fei Liang oder Hongtao Jia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, M., Liang, F., Li, Q. et al. Steigerung des Wachstums, der Wassernutzungseffizienz und des wirtschaftlichen Nutzens für Mais durch Tropfbewässerung im Nordwesten Chinas. Sci Rep 13, 8392 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35611-9

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Eingegangen: 06. März 2023

Angenommen: 21. Mai 2023

Veröffentlicht: 24. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35611-9

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