Resource utilization and sustainability of conservation-based rice-wheat cropping systems in Central Asia [Elektronische Ressource] / Krishna Prasad Devkota

Krishna Prasad Devkota

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
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Extrait

Zentrum für Entwicklungsforschung
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Resource utilization and sustainability of conservation-based
rice-wheat cropping systems in Central Asia



Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Grades
Doktor der Agrarwissenschaften
(Dr. agr.)



der Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität
zu Bonn



vorgelegt am im Mai 2011

von
KRISHNA PRASAD DEVKOTA


aus
GORKHA,NEPAL




































1. Referent: Prof. Dr. P.L.G. Vlek

2. Referent: Prof. Dr. Frank A. Ewert

Tag der Promotion: 12.07. 2011

Erscheinungsjahr: 2011

Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert ABSTRACT


Excessive and inefficient water use, intensive soil tillage and decreasing soil fertility
have caused land degradation and desertification, which are threatening the
sustainability of rice-wheat systems in the irrigated lowlands of Central Asia. Water-
saving and conservation agriculture (CA) practices such as alternate wet and dry
irrigation (WAD), direct seeding on raised beds, zero tillage flat lands, and residue
retention can help counterbalancing these threats. A randomized complete block design
experiment with four replications was conducted from 2008-2010 in rice-wheat rotation
systems in Khorezm region, Uzbekistan. Objectives were to (1) investigate the growth
and yield formation of rice, (2) examine mineral-nitrogen (N) dynamics in a rice-wheat
system, and (3) evaluate the sustainability of a rice-wheat system under water-saving
irrigation and CA practices. Next, the rice growth model ORYZA2000 was
parameterized and evaluated to assess the impact of increased temperature on
phenology and grain yield of rice at various emergence dates under IPCC (2007)
projected A1F1 and B1 climate change scenarios. The rice variety used was a puddle
rice variety subjected to dryland conditions.
The field experiment centered on six WAD rice treatments involving dry-
direct seeded rice (DSR) under raised bed planting (BP) and zero tillage (ZT) planting
on flat land combined with three levels of residue retention, i.e., residue harvested (RH),
50% residue retention (R50), and 100% residue retention (R100). These were compared
with wet-DSR grown under conventional tillage (CT) with continuous flood irrigation
(CT-FI) and with intermittent irrigation (CT-II). The WAD and CT-II treatments were
irrigated only when the soil water potential in the top 20 cm soil reached around -20
kPa. CT-FI was irrigated as practiced by the farmers in the region. Wheat was surface
seeded into the standing rice field in all treatments. To assess the impact of climate
change with ORYZA2000, field experiments with six seeding dates and three varieties
were conducted in 2008-2009.
WAD irrigation led to a 68-73% water-saving potential but reduced rice yield
by 30-56%; however, the yield of surface seeded wheat was higher by more than 1.5 t
-1ha than the irrigated wheat yield in Khorezm in both years. With WAD, this yield
penalty was caused by water stress, higher amount of standing residue retention, and N
stress, which reduced biomass accumulation and root growth, delayed phenological
development, reduced number of spikelets, and led to a high percentage of unfilled
grains. WAD plus residue retention (R50 and R100) in rice led to N losses. Combined
-1over two seasons of rice and one season of wheat, the N loss was highest (>350 kg ha )
-1with R100 and lowest with CT-FI (261 kg ha ) and could have been caused by leaching
and denitrification. No mineral N was lost in any of the wheat treatments.
Rice-wheat system productivity, gross margin, and benefit to cost (B:C) ratio
were highest in CT-FI followed by RH, and lowest with R100 in BP and ZT. The
discharge of irrigation water through seepage and percolation from the rice fields
amounted to about 90% with CT. Yields can be increased with water-saving under CA
practices with proper residue management, optimization of irrigation, N drilling
(nitrogen placement 5-10 cm deep into the soil), strip-till transplanting (seed/seedling
placement in a shallow-tilled strip), and the use of suitable aerobic rice varieties. With
the present anaerobic varieties used under aerobic conditions, yield penalties are discouraging despite the high savings in water use. As long as farmers do not pay for
irrigation water, the incentives may be insufficient to provoke any change.
The parameterized ORYZA2000 simulated phenology and grain yield of rice
with a high accuracy (RMSE<15%). An increased temperature caused a decline in
-1 -1 -1yields by 20% (6% °C or 393 kg ha °C ) in 2079 compared to 2000. Under current
conditions, the best seeding dates are ~July 5 for short-, ~June 15 for medium-, and ~
June 5 for long-duration rice varieties (varieties maturing in <100, 100-110 and >110
days, respectively). Seeding dates were not changed under the B1 climate change
scenario but could be delayed by 10 days under the A1F1 scenario. Development of
heat-tolerant, medium- and long-duration rice varieties is crucial under climate change
scenarios. KURZFASSUNG


Ressourcenutzung und Nachhaltigkeit von bodenschonenden Reis-
Weizen-Anbausystemen in Zentralasien


Exzessive und ineffiziente Wassernutzung, intensive Bodenbearbeitung sowie
abnehmende Bodenfruchtbarkeit haben zu Landdegradation und Wüstenbildung geführt.
Dies bedroht die Nachhaltigkeit der Reis-Weizensysteme der bewässerten
Tieflandregionen in Zentralasien. Wassersparende Bewässerung und konservierende
Bodenbearbeitung (CA) mit, zum Beispiel, alternierender Bewässerung (WAD),
direkter Aussaat auf erhöhtem Pflanzbett (BP), pflugfreier Anbau (ZT), und Belassen
der Ernterückstände auf dem Feld können den obengenannten negativen Auswirkungen
entgegenwirken. Eine Versuch unter randomized complete block design mit vier
Wiederholungen wurde 2008-2010 in Reis-Weizen-Rotationssystemen in der Region
Khorezm, Usbekistan, durchgeführt. Das Ziel war, folgendes zu bestimmen: (1)
Wachstum und Ertragsbildung von Reis, (2) mineralische Stickstoff-(N)-Dynamik in
einem Reis-Weizensystem, und (3) Nachhaltigkeit eines Reis-Weizensystems bei
wassersparender Bewässerung und CA. Als nächstes wurde das Reiswachstumsmodell
ORYZA2000 parameterisiert und evaluatiert, um die Auswirkungen gestiegener
Temperaturen auf Reisphänologie und -ertrag bei verschiedenen Keimungsterminen
unter den A1F1 und B1 Klimawandelszenarien (IPCC 2007) zu ermitteln. Der
eingesetzte Reis war eine Nassreissorte, die unter trockenen Bedingungen verwendet
wurde.
Der Feldversuch umfasste sechs WAD Reisbehandlungen mit Trocken-
Direktaussaat (DSR) mit Bettbepflanzung (BP) und Anbau ohne Bodenbearbeitung
(ZT) kombiniert mit drei unterschiedlichen Behandlungen mit Ernterückständen, d.h.,
vollständig geerntete Rückstände (RH), Belassen von 50% der Rückstände (R50), und
Belassen von 100% der Rückstände (R100). Die Ergebnisse wurden mit denen von
Nass-DSR mit konventioneller Bodenbearbeitung (CT), mit Dauerbewässerung (CT-FI)
sowie mit intermittierender Bewässerung (CT-II) verglichen. Die WAD- und CT-II-
Behandlungen wurden nur bewässert wenn das Bodenwasserpotenzial in den oberen 20
cm des Bodens ca. -20 kPa erreichte. CT-FI wurde so bewässert, wie es bei den Bauern
in der Region üblich ist. Der Weizen wurde in allen Behandlungen oberflächlich
zwischen den Reispflanzen ausgesät. Um die Auswirkungen des Klimawandels mit
ORYZA2000 zu ermitteln, wurden Feldversuche mit sechs Aussaatterminen in 2008
und 2009 durchgeführt.
Die WAD Bewässerung führte zu einem 68-73%igen Wassersparpotenzial,
jedoch war der Reisertrag bis zu 30-56% geringer. Der Ertrag des oberflächlich
-1ausgesäten Weizens war jedoch 1.5 t ha höher als der Ertrag des bewässerten Weizens
in der Khorezm-Region in beiden Jahren. Gründe für den geringeren Reisertrag bei
WAD waren Wasserstress, höhere Mengen von Ernterückständen sowie N-Stress. Diese
Faktoren führten zu einer Abnahme von Biomassenbildung und Wurzelwachstum,
Verzögerung der phänologischen Entwicklung, einer geringeren Anzahl von Ährchen
und einem hohen Prozentsatz leerer Körner. WAD zusammen mit Ernterückständen
(R50 und R100) führte bei Reis zu N-Verlusten. Kombiniert über zwei Anbauperioden
-1von Reis und eine von Weizen war der N-Verlust am höchsten mit R100 (>350 kg ha ) -1und am niedrigsten mit CT-FI (261 kg ha ). Gründe könnten Auswaschung oder
Denitrifikation gewesen sein. In keinem der Versuche mit Weizen wurden Verluste von
mineralischem N beobachtet.