Reducing irrigation water supply to accomplish the goal of designing sustainable cropping systems in the North China plain

An International Research Training Group (IRTG) of the University of Hohenheim and the China Agricultural University, entitled ?Modeling Material Flows and Production Systems for Sustainable Resource Use in the North China Plain? was launched in 2004. The major hypothesis was ?that adjustments in cropping systems and management practices provided potential for sustainable resource protection on a high yield level?. The research program was conducted in one of the most important economic and agricultural regions in China, the North China Plain (NCP). The NCP is one of the major maize (Zea mays L.) and wheat (Triticum aestivum L.) growing areas. A literature review indicated that over the last two decades yields for wheat and maize increased by more than 20%, which had mainly been achieved by augmenting the amount of irrigation water and fertilizer. Besides the positive effects on yield an increasing amount of these input factors leads to many environmental problems. Field experiments were carried out to compare different cropping systems. Currently, the double cropping of winter wheat and summer maize is the common cultivation system in the NCP. It consists of growing two crops mostly winter wheat and summer maize in one year. The winter wheat production depends on a supplemental irrigation, because rainfall is concentrated in the summer months during the maize growing season. An alternative to the intensive double cropping system could be the single cultivation of spring maize. Relative less irrigation water is required for spring maize production, because the rainy season coincides with the main part of the maize growing season. Due to the longer growing season spring maize normally realises higher yields in comparison to summer maize. However, the total yield of a double copping system of wheat and maize is higher. The evaluated system three harvests in two years (winter wheat and summer maize in the first year followed by spring maize in the second year) forms a balance between the double cropping system and the single cropping of spring maize. Due to the fact that three crops are grown in two years total yield is higher in comparison to single cropping of spring maize (two harvests in two years) but lower in comparison to the traditional double cropping system (four harvests in two years). However the lower cropping index in contrast to the double cropping of wheat and maize results in a lower demand of the input factors irrigation water and N-fertilizer whereas in comparison to the single cropping of spring maize a higher amount of input factor is required. Besides the conduction of field experiments for the collection of empirical datasets, the CERES-Maize and CERES-Wheat models were used to quantify the effects of different irrigation management practices on crop growth, productivity and sustainability of agricultural production. Results indicated that there is a considerable potential for reducing the irrigation amount for winter wheat. However, the results also showed that a supplemental irrigation at critical growth stages seems to be essential to maintain high yields and to ensure an adequate gross margin. In a more complex approach the CERES-Maize model was used to simulate the yield of summer maize and spring maize across the NCP. The spatial and temporal climate variability was taken into account by using up to 30 years of weather data from 14 meteorological stations. The simulated results were linked to a Geographic Information System (GIS). Results indicated that the yield distinction between summer maize and spring maize was partially very low as a result of water shortage at flowering stage. A delay in sowing and the use of adapted cultivars with a later flowering date could help to increase spring maize yields. Summarizing, the results of this study indicate that water is one of the most limiting factors for crop production in the NCP. Further, the reduction of total water consumption will become more and more important with water becoming increasingly scarce and thus costly. Consequently agriculture has to undergo and is already undergoing dramatic changes. The results of this study indicated that there are several possibilities optimize cropping systems in the NCP, focussing on a more sustainable use of water while maintaining high yields. In this context, crop models are valuable tools for e.g. irrigation planning or evaluating different cropping designs in the NCP.Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen der International Research Training Group ?Modeling Material Flows and Production Systems for Sustainable Resource Use in the North China Plain? erstellt. Die Untersuchungen wurden in der NCP, einer der wichtigsten Wirtschafts- und Agrarregionen Chinas, durchgeführt. Winterweizen und Sommermais sind die am häufigsten angebauten Kulturen. Beide werden in einer einjährigen Rotation, einem so genannten Double Cropping System angebaut. Während der letzten beiden Jahrzehnte stiegen die Erträge für Weizen und Mais um über 20 % an, was vor allem durch eine Ausdehnung der Bewässerung, sowie der Düngung ermöglicht wurde. Neben einem Ertragsanstieg führte der gesteigert Produktionsmitteleinsatz jedoch auch zu vielen Umweltproblemen. Feldversuche wurden angelegt um verschiedene Anbausysteme zu vergleichen. Gegenwärtig ist das Double Cropping von Winterweizen und Sommermais das am häufigsten praktizierte Anbausystem in der NCP, wobei beide Kulturen im gleichen Jahr angebaut werden. Die Winterweizenaussaat erfolgt Mitte Oktober, die Ernte Mitte Juni. Anschließend erfolgt direkt die Aussaat von Sommermais, der Anfang Oktober geerntet wird. Aufgrund der Niederschlagskonzentration in den Sommermonaten, während der Maisvegetation, ist eine ergänzende Bewässerung zu Winterweizen erforderlich. Eine Alternative zu dem intensiven Double Cropping System könnte der alleinige Anbau von Frühjahrsmais sein. Die Frühjahrsmaisaussaat erfolgt Mitte April, die Ernte Ende September. Die restliche Zeit des Jahrs liegt das Feld brach. Der überwiegende Teil der Maisvegetationsperiode fällt mit der Regenzeit zusammen. Daher ist relativ wenig Bewässerungswasser für den Anbau von Frühjahrsmais erforderlich. Aufgrund der längeren Vegetationsperiode erzielt Frühjahrsmais im Vergleich zu Sommermais meist höhere Erträge. Dennoch ist der Gesamtertrag beim Double Cropping von Weizen und Mais höher. Einen Kompromiss zwischen dem Double Cropping System und dem alleinigen Anbau von Frühjahrsmais bildet das System drei Ernten in zwei Jahren. Im ersten Jahr wird das Double Cropping System praktiziert wobei Winterweizen von Oktober bis Juni, gefolgt von Sommermais von Juni bis September angebaut wird. Anschließend folgt eine Brache. Frühjahrsmais wird im zweiten Jahr im Zeitraum April bis September angebaut, bevor die Rotation wieder mit Winterweizen startet. Da drei Kulturen in zwei Jahren angebaut werden, ist der Gesamtertrag im Vergleich zum alleinigen Anbau von Frühjahrsmais (zwei Ernten in zwei Jahren) höher, im Vergleich zum traditionellen Double Cropping System (vier Ernten in zwei Jahren) jedoch geringer. Der niedrigere Anbauindex, im Vergleich zum Double Cropping von Weizen und Mais, führt jedoch auch zu einem geringern Bedarf an Bewässerungswasser und N Dünger. Im Vergleich zum alleinigen Anbau von Frühjahrsmais ist dennoch ein höherer Produktionsmitteleinsatz erforderlich. Neben den Feldversuchen wurden die Modelle CERES-Maize und CERES-Wheat zur Bewertung verschiedener Bewässerungsmanagementpraktiken und deren Auswirkung auf das Pflanzenwachstum, sowie die Produktivität und Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Produktion verwendet. Die Ergebnisse zeigten ein beträchtliches Einsparungspotenzial an Bewässerungswasser. Daneben zeigten die Ergebnisse jedoch auch, dass für den Erhalt hoher Erträge sowie die Erzielung ausreichender Deckungsbeiträge eine ergänzende Bewässerung zu kritischen Wachstumsstadien erforderlich ist. In einem umfassenderen Ansatz wurde das Model CERES-Maize zur Simulation des Ertragspotenzials von Sommer- und Frühjahrsmais über die gesamte NCP genutzt. Die räumliche und zeitliche Variabilität des Klimas wurde durch die Verwendung von bis zu 30 Jahren an Wetterdaten von 14 Wetterstationen berücksichtigt. Die Ergebnisse wurden in einem GIS verknüpft. Aufgrund von Wassermangel während der Blüte waren die Ertragsunterschiede zwischen Sommer- und Frühjahrsmais lokal sehr gering. Eine Erhöhung der Frühjahrsmaiserträge konnte durch eine spätere Aussaat sowie durch die Verwendung spät blühender Sorten erreicht werden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass Wasser eines der am stärksten limitierenden Faktoren für die Pflanzenproduktion in der NCP ist. Mit einer zunehmenden Verknappung sowie steigenden Wertschätzung des Wassers wird eine Reduzierung des Verbrauchs immer wichtiger. Daher sind und werden noch weitere tief greifende Änderungen in der Landwirtschaft erfolgen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten jedoch auch, dass verschiedenste Möglichkeiten vorhanden sind, bei gleich bleibend hohen Erträgen die Anbausysteme in der NCP hinsichtlich ihres Wassereinsatzes nachhaltiger zu gestalten. Pflanzenwachstumsmodelle stellen diesbezüglich ein nützliches Instrument dar z.B. für die Planung der Bewässerung oder die Bewertung verschiedener Anbausysteme