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Doctoral Thesis
2023
Effects of salinity and alternate wetting and drying irrigation on genotypic performance of lowland rice in the Vietnamese Mekong Delta
Effects of salinity and alternate wetting and drying irrigation on genotypic performance of lowland rice in the Vietnamese Mekong Delta
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Abstract (English)
Rice production in the Vietnamese Mekong Delta (VMD) is threatened by climate change. Predicted changes in the seasonal distribution of precipitation patterns along with higher temperatures increase the risk of severe drought during the winter-spring cropping season (the dry season). The resulting decrease in discharge of the Mekong River coupled with sea level rise, means sea water can intrude deep into the Mekong Delta during the dry season, such as during the dry season of 2016. Rice production is both victim and culprit, as it is a significant source of greenhouse gas (GHG) emissions, mainly methane (CH₄). The objective of my thesis was to show how rice production, from the level of plant to system, can become more resilient to drought and salinity, while also increasing its sustainability by reducing its emission of methane. The effect of the water saving irrigation technology, alternate wetting and drying (AWD), in combination with varieties commonly grown in VMD, was investigated in a two-year field experiment conducted during the dry season in the VMD. We measured water use, yield, yield components, phenology, as well as greenhouse gas emissions of methane and nitrous oxide (N₂O). Whereas the effect of salinity on growth of the same varieties from the field experiment was tested in a greenhouse experiment at the University of Hohenheim, Germany. We were able to show the efficacy of genotype selection and AWD in reducing methane emissions, mitigating the impact of severe dry seasons, and salinity intrusion in the VMD. Our findings could also be applied to other Asian Mega-Deltas.
Abstract (German)
Die Reisproduktion im vietnamesischen Mekong-Delta (VMD) ist durch den Klimawandel bedroht. Die prognostizierten Verschiebungen bei den Niederschlägen in Verbindung mithöheren Temperaturen erhöhen das Risiko schwerer Dürren während der Winter-Frühjahrs-Anbauzeit (Trockenzeit). Der daraus resultierende Rückgang des Abflusses des Mekong in Verbindung mit dem Anstieg des Meeresspiegels bedeutet, dass während der Trockenzeiten immer häufiger Wasser mit erhöhtem Salzgehalt tief in das Delta eindringen wird. Der Reisanbau ist sowohl Opfer als auch Verursacher dieser Umstände, da er eine bedeutende Quelle von Treibhausgasemissionen, hauptsächlich Methan ist. Ziel dieser Dissertation war es, zu zeigen, wie die Reiserzeugung - von der Pflanze bis zum Anbausystem - widerstandsfähiger gegen Trockenheit und Versalzung werden kann und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeit durch eine Verringerung der Methanemissionen erhöhen kann. Der Effekt
der wassersparenden Bewässerungstechnologie ‚Alternate Wetting and Drying‘ (AWD) in Kombination mit den im VMD üblichen Sorten wurde in einem zweijährigen Feldversuch während der Trockenzeit im VMD untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir den Wasserverbrauch, den Ertrag, die Ertragskomponenten, die Phänologie sowie die Treibhausgasemissionen (CH₄, N₂O) von 20 Reisorten gemessen. Die Salztoleranz der gleichen Sorten aus dem Feldversuch wurde zudem in einem Gewächshausversuch an der Universität Hohenheim, Deutschland, getestet. Der Ertrag unter AWD war in beiden untersuchten Trockenperioden signifikant und konstant niedriger. Die Ertragsminderung unter AWD betrug jedoch nur 7%, wobei Sorte und
Jahreszeit eine wichtige Rolle spielten. Anhand der Analyse der Ertragskomponenten konnten wir zeigen, dass die Ursache für die Ertragslücke in einer Verschiebung des Sink/Source-Verhältnis liegt, welches zwischen den beiden untersuchten Trockenzeit unterschiedlich stark ausgeprägt war. Trotz des großen Umfangs der Literatur über AWD sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Hauptursache für die Reaktion der Pflanze auf AWD zu ermitteln, beispielsweise das Bodenwasserpotenzial oder die Meristemtemperatur. Unabhängig davon halbierten sich die THG-Emissionen in beiden Trockenperioden unter AWD. Bei vernachlässigbaren N₂O Emissionen war CH₄ das wichtigste gemessene Treibhausgas.
Die kumulativen CH₄-Emissionen variierten stark zwischen den Sorten, insbesondere in einem kontinuierlich gefluteten System (continuously flooded, CF). Schlussendlich wurde der Wasserverbrauch in beiden Trockenzeiten durch AWD deutlich reduziert. Messungen von Ertrag, Wasserverbrauch und Methanemissionen wurden kombiniert, um die Wasser- und Methanproduktivität zu bestimmen, die wir zur Klassifizierung der Sorten verwendeten. Obwohl AWD die Treibhausgasemissionen und den Wasserverbrauch bei nur geringfügigen Ertragseinbußen wirksam reduzierte, kann sie in der VMD nur wäahrend der Trockenzeit wirksam eingesetzt werden. In Gebieten oder zu Jahreszeiten, in denen dies nicht möglich ist, sei es aufgrund von Bodeneigenschaften (saure Sulfatböden) oder der Jahreszeit
(Sommer-Herbst- und Herbst-Winter-Anbausaison oder Regenzeit), können die Landwirte die THG-Emissionen dennoch reduzieren, indem sie Sorten anhand ihrer Methanproduktivität auswählen. Der Zusammenhang zwischen der Morphologie und dem Wachstum der Reispflanze und den Methanemissionen ist jedoch nach wie vor unklar, so dass es schwierig ist, die Methanproduktivität in einem Züchtungsprogramm zu berücksichtigen. Dieselben Sorten aus dem Feldversuch, die unterschiedlichen Intensitäten von Salzstress (50 mM und 100 mM NaCl) ausgesetzt waren, wiesen eine große Bandbreite an Salztoleranz zwischen den NaCl-Konzentrationen auf. Wir konnten zeigen, dass der signifikante Unterschied in der Salztoleranz
zwischen den Sorten auf Unterschiede im metabolischen Umgang mit den Ionen (Na+, Cl-, K+) zurückzuführen ist, sowohl in Bezug auf die anfängliche Aufnahme der Ionen als auch auf die Ionenverteilung innerhalb der Pflanze. Unsere Ergebnisse wären für die Landwirte von größerem Nutzen, wenn ein Feldversuch mit dem Ziel durchgeführt würde, die Salztoleranz sowie den Ertrag der gleichen Sorten zu testen. Im VMD, aber auch in anderen asiatischen Mega-Deltas, würde die Einführung von AWD während der Trockenzeit mit geeigneten Genotypen die Nachhaltigkeit und Widerstandsfäigkeit der Reisproduktionssysteme erhöhen. In Gebieten mit erhöhtem Risiko des Eindringens von Salzhaltigem Meerwasser sollte AWD mit salztoleranten Sorten kombiniert werden. In der Regenzeit hingegen könnten CH4-emissionsarme Sorten die mit der Reisproduktion
verbundene Methanproduktion deutlich verringern. Ein Carbon-Credit-System könnte Anreize für eine Einführung von AWD und die Bevorzugung emissionsärmerer Reissorten schaffen.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Examination date
2023-09-28
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
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Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Johnson2023,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6987},
doi = {10.60848/2125}
author = {Johnson, Kristian Philip},
title = {Effects of salinity and alternate wetting and drying irrigation on genotypic performance of lowland rice in the Vietnamese Mekong Delta},
year = {2023},
}