Greenhouse gas emissions from rice production in the Vietnamese Mekong River Delta as affected by varietal selection and water management

Abstract

The topic of this dissertation deals with rice production, the predominant source of daily nourishment for more than half of the worlds population. Rice production is directly affected by global climate change through aggravating climatic conditions, but is also one of the major sources of greenhouse gases (GHG) in the agricultural sector. The latter aspect is investigated in 4 publications by assessing the factors contributing to emissions, the quantification of GHG emissions across different scales, and possible mitigation of GHG emissions. In totality, these studies aim at bridging the gap between field measurements to national extrapolations in view of both GHG inventories and future mitigation programs. In terms of methodologies, the publications compiled in the following chapters represent a broad spectrum ranging from field measurements to meta-analysis, but they all deal with the emission of methane (CH4) which is generated in rice fields due to the unique feature of ‘semi-aquatic’ soils. The publications based on newly conducted field measurements also a nitrous oxide (N2O) which is a potent GHG emitted typically emitted from rice fields in low quantities. Chapter 2 (Vo et al. 2018) compiles field measurements from the Vietnamese Mekong River Delta (MRD) which accounts for more than 50% of the country’s rice production. Emission factors (EFs) are used to estimate total emissions associated with the area of rice production. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has given the default EFs that are based on global averages as Tier 1 approach. However, the IPCC guidelines encourage national reporting institutions to conduct field measurements of GHG emissions and to determine country-specific EFs as the basis of the Tier 2 approach. Tier 2 further accounts for the fact that emissions may also be highly variable within a given country by requesting for disaggregation of EF at a sub-national scale. Therefore, the most recent GHG inventories for Vietnam are based on region-specific EFs under the IPCC Tier 2 approach, which is implemented using national activity data (i.e., national average cultivation period of rice and harvested area). In Chapter 2, we developed the specific EFs for different hydrological sub-zones and growing seasons in the MRD to achieve disaggregated EFs that could be used for the National Communications submitted to the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). Due to the distinct bio-physical condition and cropping cycle, the results show the lowest emissions in the saline sub-zone. While alluvial, acid sulfate soils had intermediate levels, the highest emissions were found in the deep flood sub-zone. In Chapter 3 (Vo e al. 2018), we expanded the geographical scope of the GHG assessment to the entire country. This meta-analysis of CH4 data covers 73 cropping seasons at 36 field sites across the rice-growing areas of Vietnam under the IPCC’s baseline conditions (i.e., continuously flooded, no organic amendments) in the three main cropping seasons. As an output of this study, a structured database contained the location and season of each measurement as well as site-specific bio-physical factors and crop management at the site scale. In the next step, we developed disaggregated EFs for different zones and cropping seasons across the country that can be used for future reporting commitments of Vietnam as part of a more accurate Tier 2 assessment. The calculated EFs were generally higher than the IPCC defaults and the values used for Vietnam’s 3rd National Communications for the North, Central, and South Vietnam. Chapter 4 (Vo et al. 2023) has to be seen in the context of Vietnam’s climate change policy that aims at reducing GHG emissions from rice production. Mitigation in rice production will be crucial for Vietnam because CH4 from rice accounts for about 15 % of the national GHG which is more than the entire transport sector even without considering CO2 and N2O emissions along the rice value chain. Previous studies have assessed the potential practices by changes in farming practices, namely water, nutrient, and straw management, and almost uniformly concluded that Alternate Wetting and Drying (AWD) is the most promising strategy for achieving a sizable mitigation of GHG emissions. Given the intense rainy season in southeast Asia, however, the precipitation is often too high to implement this water regime and will not provide any economic benefit from water saving. In turn, it is important to consider other mitigation strategies such as the selection of low-emitting cultivars. We conducted a field screening of 20 rice varieties that was expanded by assessing the interactive effect of variety selection and AWD. An experimental layout with 120 plots (based on 3 replicates) was required to assess this interaction of variety and water management in the field using the closed chamber method to collect air samples followed by lab analysis (using a gas chromatograph) to quantify the CH4 and N2O concentrations. The results of this study confirmed that GHG emissions from rice fields are dominated by CH4 emissions whereas N2O emissions were negligible. Compared with IPCC default values, the data set from two dry seasons yielded higher emissions under a baseline of continuous flooding (EF = 2.96 kg CH4 ha-1 d-1) and lower Scaling Factors (SF) of AWD (SF = 0.4). Chapter 5 (Asch et al. 2023) deals with the agronomic aspects of both AWD and variety selection and their implications on the economic viability of future mitigation efforts. While AWD is more efficient in reducing CH4 emissions than variety selection, this water management practice resulted in a slight yield decrease in our field study. Given the limited applicability of AWD, the selection of varieties is a much more adaptable approach and is also beneficial in terms of farmers’ adoption because it does not require any crop management changes. However, this strategy could also impact profits since the lowest-emitting variety may not have the highest rice yields. In the context of future mitigation programs in the MRD, the dry season allows good control of the water table, so AWD should be the core of any mitigation effort. Variety selection on the other hand should be targeted in those seasons and locations that do not allow draining the fields. In turn, low-emitting varieties should become an integral part of future mitigation programs to supplement AWD within a systematic out scaling. In terms of economic trade-offs for the farmers, we assumed a scenario with compensation derived from the still premature carbon markets. The potential profit increments are very low and not attractive if distributed to farmers directly, but may collectively be used for investments in rural development by government agencies for benefitting farmers indirectly, e.g. by improving the irrigation infrastructure.

Das Thema dieser Dissertation befasst sich mit dem Reisanbau, der wichtigsten Quelle für die tägliche Ernährung von mehr als der Hälfte der Weltbevölkerung. Die Reisproduktion ist durch die Verschärfung der klimatischen Bedingungen direkt vom globalen Klimawandel betroffen, ist aber auch eine der Hauptquellen von Treibhausgasen (THG) im Agrarsektor. Der letztgenannte Aspekt wird in vier Veröffentlichungen untersucht, in denen die Faktoren, die zu den Emissionen beitragen, die Quantifizierung der Treibhausgasemissionen in verschiedenen Skalen und mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bewertet werden. Insgesamt zielen diese Studien darauf ab, die Lücke zwischen Feldmessungen und nationalen Hochrechnungen sowohl im Hinblick auf THG-Inventare als auch auf künftige Minderungsprogramme zu schließen. Die in den folgenden Kapiteln zusammengetragenen Veröffentlichungen weisen ein breites methodisches Spektrum auf, das von Feldmessungen bis hin zu Meta-Analysen reicht. Sie befassen sich jedoch alle mit der Emission von Methan (CH4), das in Reisfeldern aufgrund der einzigartigen Eigenschaft "semiaquatischer" Böden entsteht. Die Veröffentlichungen, die auf neu durchgeführten Feldmessungen beruhen, befassen sich zudem auch mit Lachgas (N2O), einem potenten Treibhausgas, das von Reisfeldern in der Regel jedoch nur in geringen Mengen emittiert wird. Kapitel 2 (Vo et al. 2018) umfasst Feldmessungen aus dem vietnamesischen Mekong-Flussdelta (MRD), auf das mehr als 50 % der Reisproduktion des Landes entfallen. Zur Schätzung der Gesamtemissionen im Zusammenhang mit der Reisanbaufläche werden Emissionsfaktoren (EF) verwendet. Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hat die Standard-EFs, die auf globalen Durchschnittswerten basieren, als Tier-1-Ansatz festgelegt. Die IPCC-Leitlinien ermutigen jedoch die nationalen Berichterstattungsinstitutionen, Feldmessungen der THG-Emissionen durchzuführen und länderspezifische EFs als Grundlage des Tier-2-Ansatzes zu bestimmen. Tier 2 trägt außerdem der Tatsache Rechnung, dass die Emissionen innerhalb eines Landes sehr unterschiedlich sein können, indem es eine Aufschlüsselung der EF auf subnationaler Ebene fordert. Daher basieren die jüngsten Treibhausgasinventare für Vietnam auf regionsspezifischen Treibhausgasemissionen für Reis im Rahmen des Tier 2 Ansatzes, der unter Verwendung nationaler Aktivitätsdaten (d. h. der durchschnittlichen nationalen Anbauperiode von Reis und der geernteten Fläche) umgesetzt wird. In Kapitel 2 haben wir die spezifischen EFs für verschiedene hydrologische Unterzonen und Wachstumsperioden in der MRD entwickelt, um disaggregierte EFs zu bestimmen, die für die bei der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen eingereichten nationalen Mitteilungen verwendet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen biophysikalischen Bedingungen und Anbauzyklen zeigen die Ergebnisse die geringsten Emissionen in der salzhaltigen Unterzone. Schwemmlandböden und saure Sulfatböden wiesen mittlere Werte auf, während die höchsten Emissionen in der Unterzone mit tiefen Überschwemmungen zu finden waren. In Kapitel 3 (Vo e al. 2018) haben wir den geografischen Umfang der THG-Bewertung auf das gesamte Land ausgeweitet. Diese Meta-Analyse der CH4-Daten umfasst 73 Anbausaisons an 36 Feldstandorten in den Reisanbaugebieten Vietnams unter den IPCC-Basisbedingungen (d. h. kontinuierlich überflutet, keine organischen Ergänzungen) in den drei Hauptanbausaisons. Das Ergebnis dieser Studie war eine strukturierte Datenbank, die den Ort und die Jahreszeit jeder Messung sowie die standortspezifischen biophysikalischen Faktoren und die Pflanzenbewirtschaftung auf Standortebene enthielt. Im nächsten Schritt entwickelten wir disaggregierte EFs für verschiedene Zonen und Anbausaisonen im ganzen Land, die für künftige Berichterstattungsverpflichtungen Vietnams als Teil einer genaueren Tier-2-Bewertung verwendet werden können. Die berechneten EFs waren im Allgemeinen höher als die IPCC-Vorgaben und die Werte, die für Vietnams dritte nationale Mitteilungen für Nord-, Zentral- und Südvietnam verwendet wurden. Kapitel 4 (Vo et al. 2023) ist im Zusammenhang mit der vietnamesischen Klimaschutzpolitik zu sehen, die auf eine Verringerung der Treibhausgasemissionen aus der Reisproduktion abzielt. Eine Reduzierung der Emissionen im Reisanbau wird für Vietnam jedoch von entscheidender Bedeutung sein, da CH4 aus dem Reisanbau etwa 15 % der nationalen THG-Emissionen ausmacht, was mehr ist als die Emissionen des gesamten Verkehrssektors, selbst wenn man die CO2- und N2O-Emissionen entlang der Reiswertschöpfungskette nicht berücksichtigt. Frühere Studien haben Änderungen der Anbaupraktiken, insbesondere des Wasser-, Nährstoff- und Strohmanagements, bewertet und sind fast einheitlich zu dem Schluss gekommen, dass Alternate Wetting and Drying (AWD) die vielversprechendste Strategie ist, um eine beträchtliche Verringerung der THG-Emissionen zu erreichen. Angesichts der intensiven Regenzeit in Südostasien sind die Niederschläge jedoch oft zu hoch, um dieses Bewässerungsregime umzusetzen, und bieten keinen wirtschaftlichen Nutzen durch Wassereinsparungen. Im Gegenzug ist es wichtig, andere Minderungsstrategien in Betracht zu ziehen, wie etwa die Auswahl von Reissorten mit geringen Emissionen. Wir haben ein Feldscreening von 20 Reissorten durchgeführt, das durch die Bewertung der interaktiven Wirkung von Sortenwahl und Bewässerung erweitert wurde. Eine Versuchsanordnung mit 120 Parzellen (basierend auf 3 Replikaten) war erforderlich, um diese Wechselwirkung von Sorte und Wassermanagement auf dem Feld zu bewerten. Dabei wurden Luftproben mit der ‚‘closed chamber‘ Methode gesammelt und anschließend im Labor (mit einem Gaschromatograph) analysiert, um die CH4- und N2O-Konzentrationen zu quantifizieren. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigten, dass die Treibhausgasemissionen aus Reisfeldern von den CH4-Emissionen dominiert werden, während die N2O-Emissionen vernachlässigbar waren. Im Vergleich zu den IPCC-Standardwerten ergab der Datensatz aus zwei Trockensaisons höhere emisssionen unter einer Basislinie mit kontinuierlicher Überflutung (EF = 2,96 kg CH4 ha-1 d-1) und niedrigere Skalierungsfaktoren der AWD (SF = 0,4). Kapitel 5 (Asch et al. 2023) befasst sich mit den agronomischen Aspekten sowohl von AWD als auch der Sortenwahl und deren Auswirkungen auf die wirtschaftliche Tragfähigkeit zukünftiger Minderungsbemühungen. Während AWD bei der Verringerung der CH4-Emissionen effizienter ist als die Sortenwahl, führte dieses Wassermanagementverfahren in unserer Feldstudie zu einem leichten Ertragsrückgang. Bedingt durch die begrenzte Anwendbarkeit von AWD ist die Sortenauswahl ein vielseitigerer Ansatz, der auch für die Landwirte von Vorteil ist, da er keine Änderungen in der Bewirtschaftung erfordert. Diese Strategie könnte sich jedoch auch negativ auf die Gewinne auswirken, da die Sorte mit den geringsten Emissionen nicht unbedingt die höchsten Reiserträge liefert. Im Rahmen künftiger Programme zur Eindämmung des Klimawandels im MRD ermöglicht die Trockenzeit eine gute Kontrolle des Grundwasserspiegels, so dass AWD den Kern jeder Eindämmungsmaßnahme bilden sollte. Andererseits sollte die Sortenauswahl auf die Jahreszeiten und Standorte ausgerichtet sein, die keine Drainierung der Felder zulassen. Emissionsarme Sorten sollten daher ein integraler Bestandteil künftiger Minderungsprogramme sein, um AWD im Rahmen eines systematischen Outscaling zu ergänzen. Was die wirtschaftlichen Konsequenzen für die Landwirte betrifft, so sind wir von einem Szenario ausgegangen, bei dem die Ausgleichszahlungen von den bisher noch nicht funktions-fähigen Kohlenstoffmärkten stammen. Der zusaetzliche Gewinn ist jedoch sehr gering, so dass es nicht sinnvoll ist, wenn sie direkt an die Landwirte verteilt werden. Das Geld könnte aber insgesamt für Investitionen in die ländliche Entwicklung durch staatliche Stellen verwendet werden, und damit den Landwirten indirekt zugute kommen, z. B. durch Verbesserung der Bewässerungsinfrastruktur.