Water use efficiency of rainfed and paddy rice ecosystem : Disentangling agronomic and ecosystem water use of rice

Titelangaben

Nay Htoon, Bhone:
Water use efficiency of rainfed and paddy rice ecosystem : Disentangling agronomic and ecosystem water use of rice.
Bayreuth , 2016 . - XXII, 127 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

In the light of increasing pressure on limited fresh water resources, growing population and increasing greenhouse gas emission, maximizing crop water use becomes an important topic. Rice is a staple food for a large number of peoples and a crop with higher water demand. Water use efficiency of rice (Oryza sativa L) was studied from different viewpoints and at different spatiotemporal scales, which can markedly influence the information gain on different processes. Here, water use efficiency was assessed from a physiological, agronomic or ecosystem perspective, as well as at spatiotemporal scales comprising leaf level or ecosystem processes. The study sheds light on variations of different definitions and interpretation of water use efficiencies. The work was carried out in two different rice ecosystems; rainfed rice and paddy rice, in Gwangju, South Korea. A variety of techniques were applied in this thesis to study different water use efficiency terms: the leaf gas exchange measurement, stable carbon isotope (d 13 C) analysis, ecosystem gas exchange measurement (evapotranspiration and net carbon exchange), partitioning hourly to day-time evapotranspiration fluxes by stable water isotope ( d 18 O) approach, as well as partitioning daily to seasonal evapotranspiration (ET) fluxes by model simulation. Stable water isotope (d 18 O) based ET partitioning showed a significant role of the contribution of transpiration fluxes in the total water fluxes of rice ecosystem. Both d 18 O partitioning and partitioning by a modified Penman Monteith ET model (56PM) gave a similar trends of the contribution of transpiration to evapotranspiration (T/ET). Water fluxes from rainfed rice were mainly dominated by transpiration (T/ET = 0.65), while that of paddy rice was mainly driven by evaporation (T/ET = 0.42). Comparing the water use efficiency of rainfed and paddy rice at different temporal and spatial scales indicated that physiologically defined water use efficiencies (i.e., leaf level intrinsic water use efficiency (A/g s ) and instantaneous water use efficiency (A/T) cannot represent the biomass related water use efficiencies (i.e., WUE c_Abg/Tc and WUE agro ). Physiologically defined WUEs, which include intrinsic WUE, instantaneous WUE and ecosystem WUE, of rainfed rice was higher than that of paddy rice. On the other hand, productivity based WUEs, which include biomass production per transpiration and grain yield per transpiration, paddy rice was higher than that of rainfed rice. Similar results were obtained when calculating integrated intrinsic Water use efficiency based on canopy integrated bulk leaves D 13 C analysis. Thus, rainfed rice was more efficient, transpiring less water per assimilated carbon. On the other hand, considering productivity based WUEs, which include biomass production per transpiration and grain yield per transpiration, paddy rice was higher than that of rainfed rice, which was also reflected in its higher leaf are index (LAI) and slight, though not significant, higher grain yield. At larger scales, partitioning the gross fluxes allows to disentangle the determining processes: considering total evapotranspirative water loss, which were 42.16 % lower rainfed rice, it had higher agronomic water use efficiency (55.42 %), in spite of only slightly lower grain yield compared to paddy rice. However, after partitioning the evapotranspiration into productive water loss (transpiration) and unproductive water loss (evaporation), transpiration efficiency, which is the ratio of grain yield per transpiration, was not different between paddy and rainfed rice. Thus, lower agronomic water use efficiency of paddy rice was in concert with its higher unproductive water losses. According to the seasonal trends of daily evapotranspiration fluxes, most of the unproductive water losses in paddy rice occurred before the crop development stage with low canopy cover. After the end of the crop development stage, evapotranspiration fluxes in both rainfed and paddy rice were similar, although slightly higher in paddy rice. Thus, minimizing the evaporation losses during the early crop growth stages of paddy rice system could increase the agronomic water use efficiency of paddy rice. From the ecosystem point of view, if ecosystem water use efficiency is defined as the ratio of gross primary production to evapotranspiration, rainfed rice also had higher ecosystem water use efficiency (61.67 % higher) than paddy rice. Gross primary production is an important parameter to access the productivity (i.e., carbon gain), however, carbon loss through the ecosystem respiration process should not be neglected. Thus, when the respiratory carbon fluxes were taken into account (i.e., net ecosystem carbon exchange), ecosystem water use efficiency of both rainfed and paddy rice changed dramatically, pointing the role of ecosystem respiratory losses in the definition of ecosystem water use fficiency. Comparing the agronomic and ecosystem water use efficiency of rainfed and paddy rice showed that rainfed rice had higher agronomic and ecosystem water use efficiency. However, higher water use efficiency of rainfed rice ecosystem comes at the expense of a slightly lower crop productivity and higher respiratory CO 2 loss mainly form the soils, which provides a source for greenhouse gas to the atmosphere.

Abstract in weiterer Sprache

Der Optimierung der Wassernutzung von Nutzpflanzen kommt insbesondere im Hinblick auf den steigenden Druck auf bereits begrenzte Frischwasserressourcen, wachsender globaler Bevölkerung und zunehmender Treibhausgas Emissionen, eine immer stärkere Bedeutung zu. Reis ist ein Grundnahrungsmittel für einen großen Teil der globalen Bevölkerung und weist eine vergleichsweise hohe Wassernutzung auf. Die Wassernutzungseffizienz von Reis (Oryza sativa L) wurde bereits aus verschiedenen Blickwinkeln und auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen untersucht, welche erheblichen Einfluss auf die gewonnenen Informationen nehmen kann. In dieser Arbeit, wurde die Wassernutzungseffizienz von Reis unter physiologischem, agronomischem und ökosystemarem Gesichtspunkt untersucht, zudem wurden verschiedene zeitliche und räumliche Skalen, von der Blatt- bis zu Ökosystemebene, untersucht. Dabei werden insbesondere die Unterschiede der verschiedenen Definitionen und Interpretationen von Wassernutzungseffizienz beleuchtet. Die vorliegende Arbeit wurde in Gwangju Süd Korea, in zwei verschiedenen Reis Anbausystemen durchgeführt, Nass- sowie Trockenreis (regengespeist). Zur Untersuchung unterschiedlicher Wassernutzungseffizienz Definitionen wurden in dieser Studie zahlreiche Techniken angewendet: Gaswechselmessungen auf einzelblatt und Bestandesebene zur Erhebung der Assimilation, Nettokohlenstoffaustausch sowie Transpiration und Evapotranspiration, Analyse stabiler Kohlenstoffisotope (d 13 C) sowie die Auftrennung der Evapotranspiration (ET) in Bodenevaporation und Transpiration von stündlicher bis saisonaler Skala mittels stabiler Sauerstoffisotopen Anaylse (d 18 O) und model Simulationen. Die Separierung der Evapotranspiration basierend auf stabiler Sauerstoffisotopen Analyse ergab eine signifikante Rolle des Transpirationsflusses für die Gesamtwasserabgabe des Ökosystems. Weiterhin stimmten beide verwendete Methoden, d 18 O Partitionierung und Modelierung basierend auf dem Pennman Monteith Modell (56PM) weitestgehend überein. Insgesamt dominierten im Trockenreis Feld die Wasserverluste über Transpiration (T/ET = 0.65), während im Nassreis Feld die Bodenevaporation dominierte (T/ET = 0.42). Vergleicht an die Wassernutzungseffizienz von Trocken- und Nassreis auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen, konnte festgestellt werden, dass physiologisch difinierste Wassernutzungseffizienzen (z.B. Blatt intrinsische WUE (A/g s ) und instantane WUE (A/T) nicht mit Biomasse abhängigen WUEs vergleichbar sind (z.B. WUE c_Abg/Tc and WUE agro ). Physiologisch definierte WUEs, wie intrinsische WUE, instantane und Ökosystem WUE, waren sämtlich höher in Trockenreis verglichen mit Nassreis. Andererseits, konnte Nassreis höhere WUEs basierend auf agronomischer Definition aufweisen, wie z.B. Biomasse Produktion pro Transpiration oder Kornertrag pro Transpiration. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Berechnung Kronen integrierter intrinsischer Wassernutzungseffiizienz basierend auf stabiler Kohlenstoffisotopen Analyse (d 13 C) von Gesamtblattmasse erzielt. Trockenreis war demnach effizienter in seiner Wassernutzung, ausgehend von weniger Transpiration pro assimiliertem Kohlenstoff, während Nassreis insgesamt einen leicht höheren Ertrag aufwies und agronomisch definiert die höhere Effizienz aufwies. Auf größerer Skala erlaubt die Auftrennung der Netto Kohlenstoff- und Wasserflüsse ein Verständnis der zu Grunde liegenden Prozesse: ausgehend von dem gesamtwasserverlust des Systems (ET), der 42.16 % niedriger war, wies Trockenreis eine deutlich höhere Wassernutzungseffizienz als Nassreis auf (55.42 %), trotz des leicht niedrigere Ertrags. Betrachtet man allerdings produktive und unproduktive Wasserverluste getrennt, so konnte gezeigt werden, dass die Transpirationseffizienz von Nass- und Trockenreis (GPP/T) sich nicht voneinander unterscheiden und die niedrigere agronomische Wassernutzungseffizienz auf Bestandesebene durch die hohen evaporativen Wasserverluste bedingt wurden. Der Großteil des unproduktiven Wasserverlusts im Nassreisfeld erfolgte dem saisonalen Evapotranspirationsverlauf zu Folge vor der Hauptwachstumsphase bei niedriger Kronendeckung. Im Gegensatz dazu, war die Evapotranspiration im Nass- und Trockenreis zum Ende der Vegetationsperiode, bei geschlossener Krone, ähnlich und nur wenig höher im Nassreis. Eine Minimierung der Evaporationsverluste während der frühen Entwicklungsphase des Nassreissystems könnte demnach zu einem deutlichen Anstieg der agronomischen Wassernutzungseffizienz von Nassreis führen. Aus ökosystemarer Sichtweise, WUE definiert als GPP/ET, konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die Wassernutzungseffinzienz höher im Trockenreisfeld war (61.67 % höher). GPP ist ein wichtiger Parameter um Produktivität (Kohlenstofffixierung) zu ermitteln, allerdings muss dabei bedacht werden, dass auch die Atmung eines Ökosystems nicht vernachlässigt werden darf. Bei Einbeziehung der Ökosystem Atmung, WUE=NEE/ET, wies Nassreis eine höhere Wassernutzungseffizienz auf, da das Trockenreis Feld deutlich höhere Respirationsflüsse zeigte als das Nassreis Feld. Dies zeigt die Bedeutung auch der Ökosystem Atmung für die ökosystemisch definierte Wassernutzungseffizienz. Vergleicht man agronomisch und ökosystemare Wassernutzungseffizienz von Trocken- und Nassreis, konnte gezeigt werden, dass Trockenreis höhere WUEs nach beiden Definitionen aufwies. Dies geht allerdings zu Lasten leicht geringeren Ertrages und höherer Respirationsrationsverluste, hautpsächlich durch Bodenatmung, welche eine Rolle für Treibhausgasproduktion spielen.