Effects of alternate wetting and drying irrigation on rice productivity in Burkina Faso

Abstract

Irrigated systems play a critical role in meeting the growing demand for rice (Oryza sp.) and ensuring global food security. In semi-arid regions of West Africa, with emerging water scarcity driven by rapid population growth and climate change, producing more rice with less irrigation water is a major challenge. Among the available water-saving technologies, alternate wetting and drying (AWD) irrigation is most promising, yet poorly known by rice farmers in those regions. Moreover, it remains questionable whether AWD can simultaneously achieve the multiple goals of saving water, while increasing rice yields, improving farmer income, and enhancing nutrient use efficiencies. The present thesis explores this issue through four research objectives: (1) investigate farmers' perception of water scarcity in irrigated rice systems, and identify key strategies and determinants of their adoption; (2) quantify actual yields, yield gaps, and their variability, and assess trade-offs or synergies between productivity and resource (water and fertilizer) use efficiencies; (3) evaluate the impact of AWD on yield, water productivity and farmer income and identify cropping practices driving AWD-associated yield gains; and (4) assess the effect of AWD on fertilizer use efficiency and the bioavailability of key nutrients. Household socio-economic and field surveys and participatory on-farm trials comparing AWD and farmers' irrigation practices, were conducted in four contrasting irrigation schemes of Burkina Faso between 2018 and 2020. Four main results emerged.<br /> (1) Nearly 80% of the smallholder farmers have experienced water scarcity in their irrigated rice fields during the past 5 years, and perceived access to irrigation water as a key limitation to rice production in the dry season. To cope with the adverse impacts of water scarcity, farmers implemented seven types of adaptation strategies. Most popular among those are “water conservation by field bunding”, “replacing dry-season rice with less water demanding upland crops”, and “shifting out of rice production”. Membership in farmer associations increased the likelihood of implementing multiple strategies. Female-headed households were less inclined to adopt multiple adaptation strategies.<br /> (2) Dry-season rice was less productive than wet-season rice (3.7 Mg ha-1 vs. 5.3 Mg ha-1) and showed higher yield variability (CV: 46% vs. 29%). The yield gap was slightly higher in the dry (36%) than in the wet seasons (31%). The main determinants of yield levels and yield variability were season-specific. While the number of seedlings per hill and the source of seeds were the most important crop management practices for improving yield and reducing the variability in wet-season rice, the split of N fertilizer applications and the soil dryness index were the most important in dry-season rice. High yields were associated with improved water productivity, and high N, P, and K use efficiencies.<br /> (3) AWD reduced irrigation water inputs by 30% compared to the farmer's irrigation practice, while increasing grain yield by 6%. Consequently, AWD increased irrigation water productivity by 64% and profitability by 5% over farmers’ irrigation practices. The AWD-associated yield gains were highest under conditions of poor irrigation management, and when using indica varieties.<br /> (4) AWD did not impair crop uptake and agronomic use and recovery efficiencies of N and P.<br /> Overall, AWD can efficiently increase water productivity and serve as a profitable water-saving technology for sustainable rice production in dry climatic zones of West Africa. This study represents the first on-farm testing of AWD under different management and environmental conditions in the semi-arid zone of West Africa. Results suggest that achieving both high yields and resource-use efficiencies are not conflicting goals, but require a reshaping of rice irrigation practices, involving a systematic monitoring of field water levels. The large-scale diffusion of AWD could contribute to mitigating water scarcity in irrigated rice-based systems in dry climatic zones of West Africa, thereby enhancing rural livelihoods and food security.

<strong>Alternierende Trocknung und Wiederbewässerung: Interaktionen zwischen Wasserverbrauch, Kornertrag und Nährstoffeffizienz im Reisanbau von Burkina Faso</strong> <br /> Der Bewässerungsanbau spielt eine entscheidende Rolle bei der Deckung der wachsenden Reisnachfrage und der Gewährleistung der globalen Ernährungssicherheit. Die zunehmende Wasserknappheit bedingt, dass in den semiariden Regionen Westafrikas mehr Reis (Oryza sp.) mit weniger Bewässerungswasser produziert werden muss. Unter den verfügbaren wassersparenden Technologien ist die Bewässerung mit alternierenden Phasen der Bodenaustrocknung (AWD) die vielversprechendste, bei den Reisbauern in diesen Regionen jedoch kaum bekannt. Darüber hinaus ist unklar, ob AWD gleichzeitig die vielfältigen Ziele der Wassereinsparung bei gleichzeitiger Steigerung der Reiserträge, Verbesserung des Einkommens der Landwirte und Verbesserung der Nährstoffnutzungseffizienz erreichen kann. Die vorliegende Dissertation untersucht dieses Problem anhand von vier Forschungszielen: (1) Untersuchung der Wahrnehmung der Landwirte hinsichtlich der Wasserknappheit in bewässerten Reissystemen und Identifizierung von Schlüsselstrategien und Determinanten ihrer Anwendung; (2) Quantifizierung der tatsächlichen Erträge, der Ertragslücken und deren Variabilität sowie die Bestimmung möglicher Synergien zwischen Produktivität und Wasser-/Düngemitteleffizienz; (3) Bewertung der Auswirkungen von AWD auf Kornerträge, Wasserproduktivität und das Einkommen der Landwirte sowie Bestimmung der Anbaupraktiken die zu Ertragssteigerungen führen; und (4) Auswirkung von AWD auf die Effizienz des Düngemitteleinsatzes und die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen. Zur Ansprache dieser Ziele wurden in sozioökonomischen Befragungen von Haushalten sowie in partizipatorischen Versuchen auf landwirtschaftlichen Betrieben AWD und die Bewässerungspraktiken der Landwirte in vier unterschiedlichen Bewässerungssystemen in Burkina Faso zwischen 2018 und 2020 verglichen. Daraus ergeben sich vier Hauptergebnisse.<br /> (1) Fast 80 % der Reisbauern waren in den letzten fünf Jahren von Wasserknappheit betroffen, wobei der Zugang zu Bewässerungswasser die Produktion vor allem in der Trockenzeit einschränkt. Um die negativen Auswirkungen der Wasserknappheit zu bewältigen, implementierten die Landwirte sieben Kategorien von Anpassungsstrategien. Am beliebtesten sind dabei „Wassersparen durch Eindeichung der Felder“, „Ersatz von Reis in der Trockenzeit durch Kulturen im Trockenfeldanbau“ und „Ausstieg aus der Reisproduktion“. Die Mitgliedschaft in Bauernverbänden erhöhte die Wahrscheinlichkeit, mehrere Strategien gleichzeitig einzusetzen. Von Frauen geführte Haushalte waren weniger geneigt, mehrere Anpassungsstrategien zu übernehmen.<br /> (2) Reiserträge waren niedriger in der Trocken- als in der Regenzeit (3,7 Mg ha-1 vs. 5,3 Mg ha-1) und zeigte eine höhere Ertragsvariabilität (CV: 46 % vs. 29 %). Die Ertragslücke („yield gap“) war höher in der Trockenzeit (36 %) als in der Regenzeit (31 %). Hauptdeterminanten der Ertragshöhe und der Ertragsvariabilität waren saisonabhängig. Während die Anzahl der Setzlinge und die Herkunft des Saatguts einen Großteil der Ertragsvariabilität in der Regenzeit erklärten, bestimmte die Aufteilung der N-Düngergabe und der Boden-trockenheitsindex hauptsächlich die Variabilität in der Trockenzeit. Hohe Erträge gingen mit einer verbesserten Wasserproduktivität und hoher N-, P- und K-Nutzungseffizienz einher.<br /> (3) AWD reduzierte den Wassereinsatz um 30% im Vergleich zur Bewässerungs¬praxis der Landwirte, und dies ohne Ertragseinbußen. Infolgedessen steigerte AWD die Bewässerungswasserproduktivität um 64 % und die Rentabilität um 5 % im Vergleich zu den Bewässerungspraktiken der Landwirte. AWD-bedingte Ertragszuwächse waren unter Bedingungen schlechten Bewässerungsmanagements und bei der Verwendung von indica-Sorten am höchsten.<br /> (4) AWD scheint weder die Aufnahme noch die agronomische Nutzungseffizienz von Nährstoffen zu beeinträchtigen.<br /> Insgesamt kann AWD die Wasserproduktivität effizient steigern und als profitable wassersparende Technologie für eine nachhaltige Reisproduktion in trockenen Klimazonen Westafrikas dienen. Bei den vorliegenden Untersuchungen handelt es sich um die ersten landwirtschaftlichen Studien von AWD unter Praxisbedingungen in der semiariden Zone Westafrikas. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Erzielen hoher Erträge und einer effizienten Ressourcennutzung keine widersprüchlichen Ziele sind. Sie erfordern allerdings eine Neugestaltung der Reisbewässerungspraktiken, einschließlich einer systematischen Überwachung der Feldwasserstände. Die verbreitete Nutzung und Anwendung von AWD könnte dazu beitragen, die Wasserknappheit in bewässerten Reissystemen in trockenen Klimazonen Westafrikas zu mildern und so zum Lebensunterhalt und zur Ernährungssicherheit im ländlichen Raum beizutragen.