Sediment, carbon and nitrogen capture in mountainous irrigated rice systems

Anthropogenic influences have caused landscapes to change worldwide in the last decades, and changes have been particularly intense in montane Southeast Asia. Traditional swiddening cropping systems with low environmental impacts have been largely replaced by forms of permanent upland cultivation, often with maize. The associated soil fertility loss at the plot scale is well documented. In valley bottoms of these areas, paddies have been cultivated for centuries, and are considered some of the most sustainable production systems in the world – in part maintained by the influx of fertile sediments through irrigation. Altered cropping patterns on the slopes therefore also have potential repercussions on rice production, and hence on food security, but the consequences of shifted sediment and nutrient redistribution at the landscape scale are not well understood. In order to assess these effects, methodologies were developed in this thesis that enable low-cost, continuous monitoring of sediment and nutrient transport in irrigated watersheds (Chapter 2), as well as quantification of the uncertainty on constituent loads (Chapter 3). These methods are applied in a case study to determine sediment, organic carbon and nitrogen trap efficiency of paddy rice fields in a mountainous catchment in Vietnam (Chapters 4 and 5). The upland area had an average erosion rate of 7.5 Mg ha-1 a-1. Sediment inputs to the paddy area consisted of 64 Mg ha-1 a-1, of which irrigation water provided 75% and the remainder came from erosion during rainfall events. Erosion contributed one third of the sand inputs, while sediments from irrigation water were predominantly silty, demonstrating the protective effect of the reservoir which buffered the coarse, unfertile material. Almost half of the total sediment inputs were trapped in the rice area. As all of the sand inputs remained in the rice fields, the upland-lowland linkages could entail a long-term change in topsoil fertility and eventually a rice yield loss. Quantification of nutrient re-allocation in Chapter 5 showed that irrigation was even more important as a driver of sediment-associated organic carbon and nitrogen inputs into the rice fields, contributing 90% of carbon and virtually all nitrogen. Direct contributions from erosion to the nutrient status of the paddies were negligible, again underscoring the protective function of the surface reservoir in buffering irrigated areas from unfertile sediment inputs. 88% of the sediment-associated organic carbon and 93% of the nitrogen were captured by the rice fields. Irrigation water additionally brought in dissolved nitrogen, resulting in a total nitrogen input of 1.11 Mg ha 1 a-1. Of this amount, 24% was determined to be in the plant-available forms of ammonium and nitrate, a contribution equivalent to 66% of the recommended nitrogen application via chemical fertilizer. The dependence of paddy soil fertility on agricultural practices in the uplands illustrates the vulnerability of irrigated rice to unsustainable land use in the surrounding landscape. Unfortunately, alternatives for upland land use that are not detrimental to soil quality are hard to come by, due to the economic reality of high maize prices on the world market. Conservation measures and agroforestry systems offer potential, but without some form of payment for environmental services, adoption rates remain low. Finding sustainable solutions is especially urgent as climate change is likely to increase the number of extreme rainfall events and hence intensify the redistribution processes already taking place. In this light, the role of trapping elements in landscapes such as paddy fields and surface reservoirs becomes more important as well. As these features are widely spread throughout tropical landscapes, their role in global sediment and nutrient cycles must be taken into account. The methodologies developed in this thesis, for sediment and nutrient transport monitoring and for uncertainty assessment, can aid in closing the data gap that currently hinders a reliable assessment of the consequences of anthropogenic and climate change, both on food security and on environmental impacts, locally, regionally and globally.

Weltweit haben anthropogene Einflüsse Landschaften in den letzten Jahrzehnten wesentlich verändert. Dieser Wandel war besonders stark in Bergregionen Südostasiens. Traditioneller Wanderackerbau mit geringen Umweltauswirkungen wurde weitgehend durch Formen permanenten Anbaus - oft auf Basis von Mais - ersetzt. Der damit einhergehende Verlust an Bodenfruchtbarkeit auf Feldebene ist gut beschrieben. In Tallagen dieser Region werden Reisfelder seit Jahrhunderten kultiviert und gelten als einige der nachhaltigsten Pflanzenproduktionssysteme der Welt. Dies wird teilweise durch den Eintrag fruchtbarer Sedimente über das Bewässerungswasser ermöglicht. Veränderte Landnutzungsmuster in Hanglagen können sich daher auch auf die Reisproduktion auswirken und in Folge die Nahrungssicherung beeinträchtigen. Allerdings werden die Konsequenzen einer veränderten Sediment- und Nährstoffumverteilung auf der Landschaftsebene bisher kaum verstanden. Um diese Auswirkungen zu erfassen, wurden im Rahmen dieser Dissertation Methoden entwickelt, die ein kostengünstiges, kontinuierliches Monitoring der Sediment- und Nährstofftransports in bewässerten Wassereinzugsgebieten (Kapitel 2) sowie die Quantifizierung von Ungewissheiten in deren Zusammensetzung erlauben (Kapitel 3). Diese Methoden werden in einer Fallstudie angewandt, um den Wirkungsgrad des Sedimenteintrags in bewässerten Reisfeldern auf Wassereinzugsgebietsebene in einer Bergregion Vietnams zu bestimmen (Kapitel 4 und 5). In der Hangzone lag die durchschnittliche Erosionsrate bei 7.5 Mg/ha und Jahr. Der Sedimenteintrag in die Nassreisfläche betrug 64 Mg/ha und Jahr. Hierzu trug das Bewässerungswasser 75 % bei, der Rest durch Erosion während Starkregenereignissen. Erosion lieferte ein Drittel des Sandeintrags, während die Sedimente des Bewässerungswassers überwiegend schluffig waren. Dies demonstriert den Puffereffekt des Stausees, der das gröbere, unfruchtbare Material aufnahm. Fast die Hälfte der Sedimentfracht verblieb in der Reisanbauzone. Da der gesamte Sandanteil in den Reisfeldern verblieb, könnte sich in der Beziehung zwischen Hang- und Tallagen langfristig eine Veränderung der Bodenfruchtbarkeit im Oberboden einstellen und in Folge eventuell ein Verlust an Reiserträgen. Die Quantifizierung der Nährstoffumverteilung in Kapitel 5 zeigte, dass die Bewässerung einen noch größeren Einfluss auf die Einträge an organischem Kohlenstoff und Stickstoff in die Reisfelder hatte und dabei 90% des Kohlenstoffs und fast den gesamten Stickstoff beitrug. Direkte Beiträge der Erosion zur Nährstoffversorgung der Reisfelder waren vernachlässigbar, was wiederum die Schutzfunktion des Stausees im Hinblick auf den Schutz des Bewässerungsgebietes vor unfruchtbaren Sedimenteinträgen unterstreicht. 88% der Sedimentfracht an organischem Kohlenstoff und 93% des Stickstoffs verblieben in den Reisfeldern. Das Bewässerungswasser trug zusätzlich gelösten Stickstoff ein, was einen Gesamteintrag an Stickstoff in Höhe von 1.11 Mg ha-1 a-1 zur Folge hatte. Hiervon waren 24% pflanzenverfügbar in Form von Ammonium und Nitrat, wodurch das Bewässerungswasser einen Beitrag zum pflanzenverfügbaren N lieferte, äquivalent zu der Hälfte der empfohlenen chemischen Dünger-Anwendung. Die Abhängigkeit der Bodenfruchtbarkeit der Reisböden von Anbaupraktiken in den Hanglagen illustriert die Anfälligkeit des Nassreises gegenüber einer nicht nachhaltigen Landnutzung in der umgebenden Landschaft. Alternativen für eine Nutzung der Hanglagen, die nicht abträglich für die Bodenqualität sind, sind leider rar wegen der hohen Weltmarktpreise für Mais. Bodenschonende Anbausysteme oder Agroforstsysteme haben Potenzial, werden aber ohne irgendeine Form der Kompensationszahlung für Ökosystemleistungen in ihrer Übernahmerate gering bleiben. Das Finden nachhaltiger Lösungen ist besonders dringend, da der Klimawandel vermutlich eine Zunahme extremer Regenereignisse bewirkt, in deren Folge die bereits bestehenden Umlagerungsprozesse noch intensiviert werden. In diesem Zusammenhang gewinnen Landschaftselemente wie Nassreisfelder und Stauseen als Filter zunehmend an Bedeutung. Da diese Merkmale in Landschaften der Tropen weit verbreitet sind, muss man ihre Rolle im Zusammenhang mit globalen Sediment- und Nährstoffkreisläufen sehen. Die im Rahmen dieser Dissertation zum Monitoring von Sediment- und Nährstofftransport sowie zur Überprüfung von Messunsicherheit entwickelten Methoden können helfen, Wissenslücken zu schließen, die aktuell eine verlässliche Einschätzung der Konsequenzen anthropogenem Handelns einschließlich der Auswirkungen des Klimawandels in Hinblick auf Nahrungssicherheit und Auswirkungen auf die Umwelt im lokalen, regionalen und globalen Kontext erschweren.