Evaluating rice performance in contrasting East African wetlands using an experimental and modelling approach

Abstract

Rice (<em>Oryza</em> spp.) has become an important staple food and cash crop across East Africa, and is now playing a pivotal role in regional food security and national economies. Since regional rice yields remain low, intensification efforts increasingly focus on wetland areas due to favourable climatic and hydro-edaphic conditions. Among these focal areas are the Kilombero floodplain in southeast Tanzania and the numerous inland valley swamps in central Uganda.<br /> We combined experimental and modelling approaches to assess differential yield responses to improved management and hydro-edaphic field conditions (hydrological floodplains' fringe and middle, and toposequence cross-section of the inland valley), and the use efficiency and profitability of N fertiliser using 3-years of experimental and 30-years of simulated data.<br /> Against average regional lowland rice yields of &lt;2 Mg ha^-1, yields of between 3.2-9.2 Mg ha^-1 in the floodplain and of between 1.9-6.3 Mg ha^-1 in the inland valley were attained, depending on management (rainfed 0 and 60 kg N ha^-1, irrigated 120 kg N ha^-1 + 60 kg PK ha^-1), field position and year. The APSIM model performed well for grain yield in both wetland types, as supported by numerous goodness-of-fit measures during model validation. Additionally, so-called 'carry-over' effects were simulated accurately, i.e., continuous soil moisture contents, soil carbon dynamics, and indigenous N supply. Results further emphasised the importance of water tables for lowland rice production and sound model performance as they evidently attenuated seasonal droughts. Furthermore, yield determinants from hydro-edaphic field conditions were delineated via simulated spatial-temporal abiotic stress patterns (water and N stress). In both wetlands, low soil N was the main constraint, while drought stress affected rice performance more in the inland valley, in years of low seasonal rainfall and from lower water table supply capacities. Long-term (30-years) scenario analysis of yield responses to and partial gross margins of N fertiliser indicated high fertiliser use efficiencies, i.e., with yield gains of 1.7-4.5 Mg ha^-1 in the floodplain and 1.0-3.2 Mg ha^-1 in the inland valley, and profitable N rates of 30-120 kg N ha^-1 in the fringe and 30-90 kg N ha^-1 in the middle position of the floodplain, and of 60-150 kg N ha^-1 in the inland valley. However, fertiliser use was comparably riskier in the valley-fringe position of the inland valley. Supplemental irrigation effectively increased yields, particularly in the valley-fringe position and may help boost fertiliser use efficiency and profitability.<br /> The APSIM model proved a valuable tool in prioritizing production constraints, assessing management options and thus in guiding the decision-making on crop management in wetlands. These finding may help to align regional self-sufficiency and conservation targets through site- and system-specific targeting of management options.

Reis (<em>Oryza</em> spp.) hat sich in ganz Ostafrika zu einem wichtigen Grundnahrungsmittel und Cash-Crop entwickelt und spielt heute eine zentrale Rolle f&uuml;r die regionale Ern&auml;hrungssicherheit und Volkswirtschaften. Da Reisertr&auml;ge nach wie vor gering sind, konzentrieren sich Intensivierungsbem&uuml;hungen aufgrund der g&uuml;nstigen klimatischen und hydro-edaphischen Bedingungen zunehmend auf Feuchtgebiete, u.a. die Kilombero-&Uuml;berflutungsebene in S&uuml;dost Tansania und die zahlreichen Talgrund-Feuchtgebiete in Zentraluganda.<br /> Wir kombinierten experimentelle und Modellierungsans&auml;tze, um Ertragsreaktionen von Tieflandreis auf verbesserte Bewirtschaftungspraktiken und hydro-edaphische Feldbedingungen (hydrologischer Rand- und Mittebereich der &Uuml;berflutungsebene, toposequentieller Querschnitt des Talgrund-Feuchtgebiets), sowie die Nutzungseffizienz und Rentabilit&auml;t von Stickstoff (N)-D&uuml;nger anhand von 3-Jahren experimenteller und 30-Jahren simulierter Daten zu bewerten.<br /> Gegen&uuml;ber regionalen regenwassergespeisten Tieflandreisertr&auml;gen von &lt;2 Mg ha^-1 wurden Ertr&auml;ge zwischen 3,2-9,2 Mg ha^-1 in der &Uuml;berflutungsebene, und zwischen 1,9-6,3 Mg ha^-1 im Talgrund-Feuchtgebiets erreicht, abh&auml;ngig von Bewirtschaftung (regenwassergespeist 0 und 60 kg N ha^-1, bew&auml;ssert 120 kg N ha^-1 + 60 kg PK ha^-1), Feldposition und Jahr. Das APSIM-Modell zeigte eine gute Modellierleistung in beiden Feuchtgebietstypen, best&auml;tigt durch zahlreiche Goodness-of-Fit-G&uuml;ten w&auml;hrend der Modellvalidierung. Zudem wurden "carry-over"-Effekte akkurat simuliert, d.h. Bodenfeuchtemuster, Bodenkohlenstoffdynamiken und die bodeneigene N-Versorgung. Ergebnisse betonten weiterhin die Bedeutung von Grundwasser f&uuml;r regenwassergespeisten Tieflandreis und eine gute Modellleistung. Simulierte r&auml;umlich-zeitliche abiotische Stressmuster (Wasser- und N-Stress) zeigten, dass geringe Bodenstickstoffgehalte die Hauptertragsbeschr&auml;nkung war, w&auml;hrend Trockenstress im Talgrund-Feuchtgebiet st&auml;rker ausgepr&auml;gt war. Die Szenario Analyse (30-Jahre) u.a. von partiellen Bruttomargen f&uuml;r N-D&uuml;nger ergaben profitable N-Raten von 30-120 kg N ha^-1 am Rand und 30-90 kg N ha^-1 in der Mitte der &Uuml;berflutungsebene, und von 60-150 kg N ha^-1 im Talgrund-Feuchtgebiet. Der Einsatz von N-D&uuml;nger war jedoch am Talrand vergleichsweise risikoreicher. Eine zus&auml;tzliche Bew&auml;sserung k&ouml;nnte dazu beitragen, die Effizienz und Rentabilit&auml;t von N-D&uuml;nger zu steigern.<br /> Das APSIM-Modell erwies sich als wertvolles Hilfsmittel bei der Priorisierung von Ertragsbeschr&auml;nkungen, der Bewertung von Bewirtschaftungspraktiken und somit als Entscheidungshilfe f&uuml;r die landwirtschaftliche Nutzung von Feuchtgebieten. Ergebnisse k&ouml;nnen daher dazu beitragen, die regionale Selbstversorgung mit Reis und Ziele des Naturschutzes durch standort- und systemspezifische Bewirtschaftungspraktiken zu vereinbaren.