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

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. <br /> 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. <br /> 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 ha^-1 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 over two seasons of rice and one season of wheat, the N loss was highest (>350 kg ha^-1) with R100 and lowest with CT-FI (261 kg ha^-1) and could have been caused by leaching and denitrification. No mineral N was lost in any of the wheat treatments. <br /> 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.<br /> The parameterized ORYZA2000 simulated phenology and grain yield of rice with a high accuracy (RMSE<15%). An increased temperature caused a decline in yields by 20% (6% °C^-1 or 393 kg ha^-1°C^-1) 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.

<strong>Ressourcenutzung und Nachhaltigkeit von bodenschonenden Reis-Weizen-Anbausystemen in Zentralasien</strong><br /> 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. <br /> 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. <br /> Die WAD Bewässerung führte zu einem 68-73%igen Wassersparpotenzial, jedoch war der Reisertrag bis zu 30-56% geringer. Der Ertrag des oberflächlich ausgesäten Weizens war jedoch 1.5 t ha^-1 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 von Reis und eine von Weizen war der N-Verlust am höchsten mit R100 (>350 kg ha^-1) und am niedrigsten mit CT-FI (261 kg ha^-1). Gründe könnten Auswaschung oder Denitrifikation gewesen sein. In keinem der Versuche mit Weizen wurden Verluste von mineralischem N beobachtet. <br /> Im Reis-Weizensystem waren Produktivität, Bruttoergebnis und Aufwand-Nutzen-Quotient am höchsten in CT-FI, gefolgt von RH, und am niedrigsten in den R100-Behandlungen in BP und ZT. Der Verlust von Bewässerungswasser in den Reisfeldern durch Versickerung und Perkolation betrug ca. 90% bei CT. Bei CA können höhere Erträge bei wassersparenden Maßnahmen mit entsprechender Nutzung der Ernterückstände, Optimierung der Bewässerung, Applikation von N in 5-10 cm Bodentiefe, Streifenlockerung und Pflanzung der Reissetzlinge, und Nutzung geeigneter aerober Reissorten erzielt werden. Wenn anaerobe Reissorten unter aeroben Bedingungen eingesetzt werden, sind die geringeren Erträge entmutigend trotz der hohen Wassereinsparungen. Solange die Bauern nicht für das Wasser bezahlen, ist es unwahrscheinlich, dass sie wassersparende Maßnahmen einsetzen werden.<br /> Das parameterisierte ORYZA2000 simulierte Reisphänologie und -körnerertrag mit hoher Genauigkeit (RMSE<15%). Eine höhere Temperatur führte zu Ertragseinbußen von 20% (6% °C^-1 bzw. 393 kg ha^-1 °C^-1) in 2079 im Vergleich zu 2000. Unter den bestehenden Bedingungen sind die besten Saattermine um den 5. Juli für die Kurz-, um den 15. Juni für Mittel-, und um den 5. Juni für Langzeit–Reissorten (welche, respektive, in >100, 100-110, und >110 Tagen reifen). Aussaattermine könnten unter dem B1-Szenario unverändert bleiben, während sie unter dem A1F1-Szenario 10 Tage später sein könnten. Die Entwicklung von hitzetoleranten, Mittel- und Langzeit-Reissorten ist entscheidend bei den vorhergesagten Szenarien des Klimawandels.