Evaluation of biophysical factors driving temporal variations in carbon gain, water use and yield production in rice

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Xue, Wei:
Evaluation of biophysical factors driving temporal variations in carbon gain, water use and yield production in rice.
Bayreuth , 2016 . - XXIX, 232 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Experimental studies on canopy structure and function were carried out throughout the growth season with paddy rice grown under three fertilization regimes providing different nitrogen application rates (0 kg N/ha additional was termed low fertilization, 115 kg N/ha as recommended by local agricultural agencies is termed normal fertilization, and 180 kg N/ha is termed high fertilization), and with the same rice cultivar grown at two contrasting soil water regimes (comparison of the flooded paddy rice with a rainfed cultivation, both under condition of 115 kg N/ha additional fertilizer) in the summer monsoon region of Gwangju, South Korea in 2013. In paddy rice with different nutrient treatments, canopy stratified structure and leaf inclination angle, light distribution profiles, leaf nitrogen content and leaf ecophysiological response at different depths in the canopy profile, and canopy reflectance as well as yield production were periodically determined or observed. Similar field measurements together with additional determinations of water fluxes to the atmosphere (evaporative, transpirational, and evapotranspiration) were periodically conducted in the rainfed rice field. It is clear that high yield production and carbon gain capacity with adequate nutrient addition and with adequate soil water supply are strongly determined by canopy leaf area development and to a lesser extent by leaf physiological properties. Thus, promoting an early increase in canopy leaf area development is a promising strategy to improve production, since greater canopy light interception significantly contributes to gross carbon gain before light use efficiency declines. Adoption of lowland rice planting in upland fields in the summer monsoon region can lead to significant advantages in water-saving, if it is possible to achieve a decline in soil evaporation. The growing season carbon losses via soil and plant respiration in rainfed plots are significantly greater than in paddy rice. However, from an ecological perspective of ecosystem carbon balance and carbon stocks in future climate scenarios which predict more cloudy/rainy days in the Korean Peninsula, rainfed rice systems may decrease in terms of their strength as a carbon sink but, nevertheless, offer potentials for additional rice production.

Abstract in weiterer Sprache

Es wurden experimentelle Versuche bei Nassreis während einer Wachstumsperiode durchgeführt und die Bestandesstruktur aufgenommen. Der Nassreis wurde unter Zugabe von 0, 115 und 180 kg/ha Stickstoff (N) in drei Düngestufen gruppiert, wobei 0 kgN/ha einer geringen Düngung, 115 kgN/ha der von den lokalen Landwirtschaftlichen Behörden empfohlenen Düngung und 180 kgN/ha einer erhöhten Düngung entsprachen. Die verwendete Kultursorte wurde in 2013 zudem unter zwei Bodenwassergehalten in der Sommermonsun Region Gwangju in Südkorea angebaut, dabei zum Einen als bewässerten Nassreis und zum Anderen als von den Niederschlägen gewässerten Trockenreis. Im Nassreis wurden von allen Düngestufen der geschichtete Aufbau des Bestandes, die Blattausrichtung, die Lichtverteilungsprofile, der Blattstickstoffgehalt, das ökophysiologische Verhalten der Blätter in verschiedenen Tiefen im Bestandesprofil, die Reflexion des Bestandes sowie die Biomasseproduktion regelmäßig überwacht und bestimmt. Gleichartige Feldmessungen mit zusätzlicher Bestimmung der Wasserabgabe zur Atmosphäre (durch Evaporation, Transpiration und Evapotranspiration) wurden ebenfalls periodisch im Trockenreisfeld durchgeführt. Man kann schlussfolgern das ein erhöhter Ertrag und eine erhöhte Kohlenstoffaufnahmekapazität bei angemessener Nährstoffzugabe und hinreichender Bodenwasserversorgung hauptsächlich durch die Blattflächenentwicklung des Bestandes und zu einem kleineren Teil den Blattphysiologischen Eigenschaften zugeschrieben werden kann. Diese Untersuchung verdeutlicht daher, dass eine frühzeitige Entwicklung der Blattfläche eine vielversprechende Möglichkeit ist, die Produktivität zu erhöhen, da eine erhöhte Lichtnutzungseffizienz signifikant zur Brutto‒Kohlenstoff‒Aufnahme beiträgt bis die Lichtnutzungseffizienz am Ende vom Saison wieder sinkt. Die Anpflanzung von Nassreis auf Trockenfeldern während des Sommers in Monsunregionen kann zu signifikanten Vorteilen führen und somit Wasser sparen, wenn die Möglichkeit besteht die Bodenevaporation zu senken. Zudem sind die Kohlenstoffverluste durch Boden‒ und Pflanzenrespiration während der Wachstumsperiode im Trockenreis signifikant höher als im Nassreis. Wenn man von einem ökologischen Standpunkt den Kohlenstoffkreislauf und die Kohlenstoffbestände betrachtet, wobei zukünftige Klimaszenarios mehr bewölkte und regnerische Tage auf der koreanischen Halbinsel voraus sagen, könnten die Trockenreisfelder ihre Fähigkeit der Kohlenstoffaufnahme verringern, bieten aber dennoch das Potential für eine zusätzliche Reisproduktion.