Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Effect of planting methods and cyanobacterial inoculants on yield, water productivity and economics of rice cultivation

The impact of two crop planting methods and of the application of cyanobacterial inoculants on plant growth, yield, water productivity and economics of rice cultivation was evaluated with the help of a split plot designed experiment during the rainy season of 2011 in New Delhi, India. Conventional transplanting and system of rice intensification (SRI) were tested as two different planting methods and seven treatments that considered cyanobacterial inoculants and compost were applied with three repetitions each. Results revealed no significant differences in plant performance and crop yield between both planting methods. However, the application of biofilm based BGA bio-fertiliser + 2/3 N had an overall positive impact on both, plant performance (plant height, number of tillers) and crop yield (number and weight of panicles) as well as on grain and straw yield. Higher net return and a higher benefit-cost ratio were observed in rice fields under SRI planting method, whereas the application of BGA + PGPR + 2/3 N resulted in highest values. Total water productivity and irrigation water productivity was significantly higher under SRI practices (5.95 and 3.67 kg ha^(-1) mm^(-1)) compared to practices of conventional transplanting (3.36 and 2.44), meaning that using SRI method, water saving of about 34 % could be achieved and significantly less water was required to produce one kg of rice. This study could show that a combination of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) in conjunction with BGA and 2/3 dose of mineral N fertiliser can support crop growth performance, crop yields and reduces overall production cost, wherefore this practices should be used in the integrated nutrient management of rice fields in India.

Diversity and nutritional properties of Pakistani dates: implications for sustainable value chain and decent living perspectives of rural households

Date palm (Phoenix dactylifera L.) occupies almost three percent of the total worldwide cultivated area, with an annual production of seven million tonnes (t). Pakistan is an ideal place for the cultivation of date palm due to its sandy loam soil and semi-arid climate. In 2012, Pakistan produced 600,000 t of dates, on an area of 95,000 ha. Baluchistan province is the country’s top date producer, followed by Sindh, Punjab and Khyber Pakhtunkhwa (KPK) provinces. More than 300 date varieties are known to exist in Pakistan and some commercially important cultivars are: Karbalaen, Aseel, Muzawati, Fasli, Begum Jhangi, Hillawi, Dashtiari, Sabzo, Koharaba, Jaan Swore, Rabai and Dhakki. Six districts from the four provinces of Pakistan (Jhang, Muzaffargarh and Bahawalpur (Punjab), Dera Ismail Khan (KPK), Khairpur (Sindh) and Panjgur (Baluchistan)) with largest area under date palm cultivation were selected to conduct socio-economic surveys including the income sources of date palm growers. A structured questionnaire with open-ended and closed questions was used for face-to-face interviews of 170 date palm growers. At each location after selection of a first farmer through a local guide, the former was requested to provide names and addresses of three other date growers in his area. From these three names, one was randomly selected for the next sampling. Additionally, date palm fronds and fruits of all available cultivars were collected for morphological and nutritional analyses. Soil samples were collected from the groves for subsequent chemical and physical analyses. Almost all farmers used dates as a food item for their families and some were using low quality dates as a feed for their livestock. Apart from dates, other date palm components (trunk, spadix, frond, inflorescence and seed) were used by date palm growers as a raw material for making many by-products for their families. Date palm had a major contribution in the income of households, 24% received 91-100% of their income from date palms. More than half of the surveyed farmers had date palm groves, but scattered plantations, home gardens and intercropping systems with cereal and other fruits were also present. Dhakki, Muzawati, Aseel, and Karbalaen were the most important commercial cultivars grown in the provinces of KPK, Baluchistan, and Sindh. Aseel, Karoch, Haleni, Karbalaen, and Muzawati cultivars had the most firm fruit and good total soluble sugar, calcium and magnesium contents. The amount of magnesium found in dates of studied cultivars ranged from 0.143 to 0.876 mg g-1. A great variation in frond morphology was recorded among the cultivars. Fruit length and fruit weight was highest in Dhakki date, making it visually more attractive for customers in addition to its good nutritional properties. The seed weight of the studied cultivars ranged from 0.7-2.0 g, while Desi dates had largest seed, making them less attractive for marketing. However, in terms of nutritional value and fruit size, most of the investigated varieties can compete with globally important commercial dates.