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Doctoral Thesis
2021
Rice genotypic variation on phenological development and yield performance in cold prone high altitude cropping systems
Rice genotypic variation on phenological development and yield performance in cold prone high altitude cropping systems
Abstract (English)
Despite a huge potential for rice intensification, several constraints have been reported as bottlenecks for rice production in the East African high-altitude cropping system. In this system, yield reductions are mainly caused by moisture deficit, which dictates the sowing date of the crops, and cold stress, which can occur either during specific crop growth phases or during the entire cropping period. In order to minimize yield losses, cultivation of suitable genotypes and timely implementation of proved crop management options are implicitly needed. Therefore, the objectives of this study were to investigate the effects of weather during specific development stages on yield and yield components of a large number of rice genotypes contrasting in crop duration; to explore the effects of crop establishment method on the performance of a set of rice genotypes in high altitude; and to identify key data sets required for the adaptation of agricultural decision support tools to new environments: the case of RiceAdvice being introduced to the highlands of East Africa. Field trials were conducted during the cropping seasons of 2016 and 2017 at the Fogera rice research station in Ethiopia. Further, to generate data to be used for the advancement of RiceAdvice, trials were implemented in Madagascar (Ambohibary and Ivory) and Rwanda (Bugarama and Rwasave) at different altitudes. Thirty contrasting genotypes were included in the study to investigate the effects early and late sowing and the related weather variation experienced by the crop. The crop establishment methods (direct seeding and transplanting) were evaluated using nine contrasting genotypes. Daily mean, minimum, and maximum temperature, rainfall, radiation, and relative air humidity were recorded during the experimental period; and the phenological development of each genotype was closely monitored in all trials. Data on grain yield and yield components were recorded and finally subjected to analysis of variance. Results showed that yield was positively correlated with the percentage of filled spikelets and the number of productive tillers, and negatively correlated with the number of tillers per hill. Genotypes differed in duration, yield, and yield components between the two years, which was related to both, differences in sowing date as well as differences in weather conditions. Early sowing in 2017 led to an extended duration until maturity of short-duration genotypes, which was related to low radiation levels as the vegetative phase of short duration genotypes entirely took place during the cloudy rainy season. Contrastingly, the duration to maturity of medium- and long-duration genotypes was shortened after early sowing in 2017, probably related to higher relative air humidity. In 2016, late sowing in combination with the early onset of the cool period led to high spikelet sterility in medium- and long-duration genotypes, as the cold-sensitive booting phase took place during the cold spell. Therefore, effects of sowing date on yield differed between genotype groups with short-duration genotypes suffering and medium- and long-duration genotypes profiting from early sowing and vice versa for late sowing. Similar results were obtained in the experiment conducted in Madagascar and Rwanda. At high altitude in Madagascar, short-duration genotypes performed well after late sowing, whereas medium-duration genotypes performed better after sowing one to two months earlier. Also, in Rwanda, delayed sowing compromised yield because of spikelet sterility related to low-temperature during the reproductive stage. Therefore, it was concluded that the choice of variety should depend on the sowing date, which is dictated by the onset of rains. Further, decisions on management intervention have to consider season-specific constraints. Comparison of transplanted and direct seeded rice showed that, in general, transplanting had a strong advantage over direct seeding. While at high-altitudes, growing medium- and long-duration genotypes with a high yield potential bears the strong risk of yield loss due to cold sterility, transplanting, which resulted in significantly higher yields than direct seeding, can mitigate this risk. As after transplanting, physiological maturity was observed earlier in the season than after direct seeding, rice plants, including medium- and long-duration genotypes, escaped the low temperature stress at the critical reproductive stage, and thus, low spikelet fertility. Thus, with a relatively cold tolerant genotype such as Yun-Keng, sowing a few weeks earlier within an irrigated nursery can make use of the full potential and increase yields. Comparison of the experimental sites in Ethiopia, Madagascar and Rwanda, showed that the mean temperature between sowing and flowering of the four tested genotypes was negatively correlated with altitude. In general, precise knowledge of the duration of the potentially suitable genotypes is required and a crop model that is well-calibrated for the genotypes as well as for the environment, in combination with a smartphone application such as RiceAdvice, would be of great help to support farmers’ decision-making. The data recorded from the three countries field trials can be used as data source to validate RiceAdvice, and thus, increase its applicability.
Abstract (German)
Trotz eines großen Potenzials für die Intensivierung des Reisanbaus wurde von mehreren Einschränkungen als Engpässe für die Reisproduktion im ostafrikanischen Hochgebirgsanbausystem berichtet. In diesem System werden Ertragsminderungen hauptsächlich durch Feuchtigkeitsdefizite verursacht, die den Aussaattermin der Pflanzen bestimmen, sowie durch Kältestress, der entweder während bestimmter Wachstumsphasen der Pflanzen oder während der gesamten Anbauperiode auftreten kann. Um die Ertragsverluste zu minimieren, sind der Anbau geeigneter Genotypen und die rechtzeitige Umsetzung bewährter Anbaumethoden unabdingbar. Daher waren die Ziele dieser Studie, die Auswirkungen des Wetters während bestimmter Entwicklungsstadien auf den Ertrag und die Ertragskomponenten einer großen Anzahl von Reisgenotypen zu untersuchen, die sich in der Anbaudauer unterscheiden, die Auswirkungen der Anbaumethode auf die Leistung einer Reihe von Reisgenotypen in großer Höhe zu erforschen und Schlüsseldatensätze zu identifizieren, die für die Anpassung von landwirtschaftlichen Entscheidungshilfen an neue Umgebungen erforderlich sind: der Fall von RiceAdvice, das im Hochland von Ostafrika eingeführt wird. Die Feldversuche wurden während der Anbausaison 2016 und 2017 an der Reisforschungsstation Fogera in Äthiopien durchgeführt. Um Daten für die Weiterentwicklung von RiceAdvice zu generieren, wurden außerdem Versuche in Madagaskar (Ambohibary und Ivory) und Ruanda (Bugarama und Rwasave) in unterschiedlichen Höhenlagen durchgeführt. Dreißig kontrastierende Genotypen wurden in die Studie einbezogen, um die Auswirkungen von früher und später Aussaat und die damit verbundenen Witterungsschwankungen auf die Kultur zu untersuchen. Die Methoden zur Etablierung der Kultur (Direktsaat und Verpflanzung) wurden anhand von neun kontrastierenden Genotypen bewertet. Tägliche Mittel-, Minimal- und Maximaltemperaturen, Niederschlag, Strahlung und relative Luftfeuchtigkeit wurden während des Versuchszeitraums aufgezeichnet, und die phänologische Entwicklung jeden Genotyps wurde in allen Versuchen protokolliert. Die Daten zum Kornertrag und den Ertragskomponenten wurden erhoben und anschließend einer Varianzanalyse unterzogen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Ertrag positiv mit dem Prozentsatz der gefüllten Ährchen und der Anzahl der produktiven Triebe und negativ mit der Anzahl der Triebe pro Pflanze korreliert war. Die Genotypen unterschieden sich in Dauer, Ertrag und Ertragskomponenten zwischen den beiden Jahren, was sowohl mit Unterschieden im Aussaattermin als auch mit Unterschieden in den Wetterbedingungen zusammenhing. Eine frühe Aussaat im Jahr 2017 führte zu einer verlängerten Dauer bis zur Reife der Genotypen mit kurzem Zyklus, was mit der geringen Strahlungsintensität zusammenhing, da die vegetative Phase der Genotypen mit kurzem Zyklus vollständig während der bewölkten Regenzeit stattfand. Im Gegensatz dazu war die Dauer bis zur Reife von Genotypen mit mittlerem und langem Zyklus nach früher Aussaat im Jahr 2017 verkürzt, was wahrscheinlich mit der höheren relativen Luftfeuchtigkeit in Zusammenhang stand. Im Jahr 2016 führte eine späte Aussaat in Kombination mit dem frühen Einsetzen der Kälteperiode zu einer hohen Sterilität bei Genotypen mit mittlerem und langem Zyklus, da die kälteempfindliche Phase des Rispenschiebens während der Kälteperiode stattfand. Daher unterschieden sich die Auswirkungen des Aussaatdatums auf den Ertrag zwischen den Genotypgruppen, wobei die Genotypen mit kurzem Zyklus von einer frühen Aussaat benachteiligt waren und die Genotypen mit mittlerem und langem Zyklus von einer frühen Aussaat profitierten. Ähnliche Ergebnisse wurden in den in Madagaskar und Ruanda durchgeführten Experimenten erzielt. In den Höhenlagen von Madagaskar schnitten die Genotypen mit kurzem Zyklus nach später Aussaat gut ab, während die Genotypen mit mittlerem Zyklus nach ein bis zwei Monaten früherer Aussaat besser abschnitten. Auch in Ruanda beeinträchtigte eine verspätete Aussaat den Ertrag aufgrund der Sterilität der Ährchen, die mit den niedrigen Temperaturen während der Reproduktionsphase zusammenhängt. Daraus wurde gefolgert, dass die Wahl der Sorte vom Aussaattermin abhängen sollte, der wiederum vom Einsetzen der Regenfälle bestimmt wird. Darüber hinaus müssen Entscheidungen über Managementeingriffe die saisonalen Einschränkungen berücksichtigen. Der Vergleich von verpflanztem und direkt gesätem Reis zeigte, dass im Allgemeinen die Verpflanzung einen starken Vorteil gegenüber der Direktsaat hatte. Während in hohen Lagen der Anbau von Genotypen mit mittlerem und langem Zyklus und hohem Ertragspotenzial das starke Risiko von Ertragseinbußen aufgrund von Kältesterilität birgt, kann die Verpflanzung, die zu deutlich höheren Erträgen als die Direktsaat führte, dieses Risiko abmildern. Da nach dem Verpflanzen die physiologische Reife früher in der Saison beobachtet wurde als nach der Direktsaat, entgingen die Reispflanzen, einschließlich der Genotypen mit mittlerem und langem Zyklus, dem Stress durch niedrige Temperaturen in der kritischen Reproduktionsphase und damit der geringen Fertilität der Ährchen. Somit kann bei einem relativ kältetoleranten Genotyp wie Yun-Keng eine einige Wochen frühere Aussaat in einem bewässerten Saatbeet das volle Potenzial ausschöpfen und die Erträge steigern. Ein Vergleich der Versuchsstandorte in Äthiopien, Madagaskar und Ruanda zeigte, dass die mittlere Temperatur zwischen Aussaat und Blüte bei den vier getesteten Genotypen negativ mit der Höhenlage korreliert war. Generell ist eine genaue Kenntnis der Zyklusdauer der potenziell geeigneten Genotypen erforderlich und ein sowohl auf die Genotypen als auch auf die Umwelt gut kalibriertes Modell wäre in Kombination mit einer Smartphone-Anwendung wie RiceAdvice eine große Hilfe, um die Anbauentscheidungen der Landwirte zu unterstützen. Die in den Feldversuchen in den drei Länder erhobenen Daten können als Datenquelle für die Validierung von RiceAdvice verwendet werden und somit die Anwendbarkeit der Anwendung erhöhen.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute for Plant Production and Agroecology in the Tropics and Subtropics
Examination date
2021-03-21
Supervisor
Edition / version
Citation
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ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Abera2021,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6591},
author = {Abera, Bayuh Belay},
title = {Rice genotypic variation on phenological development and yield performance in cold prone high altitude cropping systems},
year = {2021},
school = {Universität Hohenheim},
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