Kurzfassung Band 76

He, Y. (2019): Carbon, nitrogen, and water dynamics after introducing non-flooded crops into a continuous paddy rice cropping system. 135 S.

Kurzfassung BBA 76

Der Anbau von Reis sichert die Nahrungsmittelversorgung in fast allen Ländern Asiens. Während der Anbau zurzeit vor allem als Nassreis erfolgt, gibt es einen Trend zum Anbau von Kulturen wie Weizen, Mais oder Trockenreis in der Trockenzeit, die keine Überstaubewässerung benötigen. Dies spart Bewässerung und reduziert Methan-emissionen. Mein Ziel war die Auswirkungen des Anbaus dieser Kulturen in der Trockenzeit auf die Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik zu erforschen. In diesem Zusammenhang habe ich folgende Fragen untersucht: 1) In welchen Ausmaß löst der Anbau von Kulturen ohne Überstaubewässerung eine Auswaschung von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) mit dem Sickerwasser aus?; 2) Wird die Exsudation von C durch Reiswurzeln und der Verbleib dieses C im Boden durch den Anbau von Mais oder Trockenreis beeinflusst?; und 3) Welchen Effekt hat der Anbau dieser Kulturen auf die Ausnutzung und den Verbleib von Dünger-N im System Boden-Pflanze? Zur Beantwortung von Frage 1) habe ich sechs monolithische Lysimeter mit einer Oberfläche von 1 m2 auf einem Versuchsfeld des International Rice Research Institutes (IRRI) zur Erfassung von Sickerwassermengen und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und Stickstoff installiert. Zur Untersuchung der Exsudation von C durch Reiswurzeln habe ich eine Isotopenmarkierungsversuche mit 13CO2 durchgeführt (Frage 2). Schließlich wurden die Ausnutzung und der Verbleib von N-Dünger in den verschiedenen Anbausystemen in einem Düngeversuch mit 15N-Harnstoff geprüft (Frage 3). 

Der Wechsel von einem kontinuierlichen Nassreisanbau zu einer Fruchtfolge mit Mais in der Trockenzeit und Nassreis in der Regenzeit erhöhte im ersten Jahr der Umstellung die Wassersickerung um 400% auf 606 L m-2 yr-1. Infolge der erhöhten Wassersickerung beobachtete ich als Folge des Anbaus von Mais im ersten Jahr auch eine erhöhte Auswaschung von DOC (27 kg ha-1 yr-1) und Gesamt-N (TN, 68 kg N ha-1 yr-1) im Vergleich zum kontinuierlichen Nassreisanbau (DOC: 7 kg ha-1 yr-1, TN: 10 kg ha-1 yr-1). In der danach folgenden Periode des Untersuchungszeitraumes nahmen die Sickerungsverluste von Wasser, DOC und TN im Mais-Reis Anbausystem kontinuierlich ab, so dass diese Fruchtfolge am Ende weniger Bewässerungswasser benötigte und nur noch eine geringe Auswaschung von DOC und TN aus dem Oberboden in Richtung Grundwasser zeigte. Die 13C-markierten Wurzelexsudate wurden im Boden schnell mineralisiert, so dass sie kaum mit dem Sickerwasser ausgewaschen wurden. Diese schnelle Mineralisierung war unabhängig von der Vorfrucht Mais oder Nassreis. Weil ein Teil des infolge der Mineralisierung und der Wurzelatmung gebildeten 13CO2 sich im Bodenwasser löste, wurde gelöster anorganischer 13C über Monate hinweg im Bodenwasser gefunden. Obwohl ich tendenziell eine erhöhte Abgabe von 13C durch Reiswurzeln nach dem Anbau von Mais beobachtete, lieferten meine Versuche keine endgültigen Belege dafür, dass die C-Abgabe durch Wurzeln sich infolge eines Wechsels von kontinuierlichem Nassreisanbau zum Maisanbau in der Trockenzeit erhöht. In der ersten Trockensaison war die Feststellung von 15N-Dünger in den obersten 5 cm des Bodens bei der Mais-Nassreis Fruchtfolge am kleinsten (arithmetisches Mittel: 19,2 ± 1,8% des applizierten 15N), während doppelt so viel 15N-Dünger (37,8 ± 2,2% des applizierten 15N) in 0-5 cm Boden bei dem kontinuierlichen Anbau von Nassreis gefunden wurde. Die Wiederfindung von 15N-Dünger in Wurzeln und Spross von Nassreis war 13% größer als bei Trockenreis und 5% größer als Mais. Nach zwei Jahren waren 10% (Trockenreis – Nassreis -, Mais – Nassreis Fruchtfolgen), bzw. 23% des applizierten 15N im Boden des Nassreisanbausystems gespeichert. Bei allen Fruchtfolgen wurde der größte Teil dieses N durch Bodenmikroorganismen immobilisiert, die 3-4% des applizierten 15N von Pilz und Bakterien in die Zellwände in Form von Amino Zucker einbauten. 

Zusammenfassend zeigten meine Untersuchungen, dass die Einführung nicht-überfluteter Kulturen in Nassreisanbausysteme zunächst zu einer Erhöhung von Wasserverlusten durch Sickerung und der Auswaschung von DOC und TN führt. Langfristig kann allerdings die Diversifizierung von Nassreisanbausystemen mittels des Anbaus von Mais oder Trockenreis in der Trockenzeit zur Einsparung von Bewässerung und Verminderung von Methanemissionen beitragen.

Abstract Band 76

He, Y. (2019): Carbon, nitrogen, and water dynamics after introducing non-flooded crops into a continuous paddy rice cropping system. 135 S.

Abstract BBA 76

The switch from paddy rice double cropping to maize-paddy crop rotation increased the water leaching losses (606 L m-2 yr-1) by 400% in the first year. Due to the larger amounts of leached water, I also observed significantly larger leaching losses of dissolved organic carbon (DOC) (27 kg ha-1 yr-1) and total nitrogen (TN) (68 kg N ha-1 yr-1, largely in the form of nitrate) from the maize-rice cropping system compared to the continuous paddy rice cropping system (DOC: 7 kg ha-1 yr-1, TN: 10 kg ha 1 yr-1). In the subsequent observation period, these water drainage and related leaching losses of DOC and nitrogen decreased, so that the crop rotation with maize in the dry season required less irrigation water and lost only small amounts of N after three years. 13C-labelled root exudates and rhizodeposits were rapidly mineralized in the rhizosphere of rice plants, so that they were hardly leached. This rapid mineralization was independent from the preceding crop, rice or maize. Since part of the produced CO2 dissolved in soil water, dissolved inorganic 13C was found in soil solution in the main rooting zone over months. Although I observed a tendency of elevated C release from rice roots into rhizosphere soil following maize cropping, my experiments did not provide conclusive evidence that C release from rice roots increases into bulk soil and soil water when shifting from a continuous double paddy rice cropping system to a paddy rice–maize cropping system. The fertilizer 15N recovery in the first 5 cm of bulk soil was lowest in the maize-rice rotation (arithmetic 19.2 ± 1.8% of applied 15N), while twice as much was found in the first 5 cm of bulk soil of the double paddy rice system (37.8 ± 2.2% of applied 15N) during the first dry season. The 15N recovery in the plant biomass (shoots and roots) in the paddy rice system was 13% larger than in the dry rice plant biomass and 5% larger than in the maize plant biomass during the first dry season. After 2 years, 10% (paddy rice – dry rice, maize – paddy rice) to 23% (paddy rice) of the applied fertilizer 15N were still stored in soil. The largest fraction of this 15N was immobilized by soil microbes, which stored 3–4% of applied 15N in the form of amino sugars in cell wall constituents of fungi and bacteria, in all cropping systems. 

In summary, my findings suggest that introducing upland crops into paddy rice cropping systems initially increases water drainage and losses of C and N by leaching during a transition period of a few years. Nevertheless, in the long-term the diversification of double cropping paddy rice systems with maize and aerobic rice during the dry season can be a viable tool for saving irrigation water and at the same time reducing methane emissions.