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Testing the effects of biochars on crop yields and soil properties in a rice-based cropping system of Myanmar : field experiment and modelling

Testen der Effekte von Pflanzenkohle auf Ernteerträge und Bodenbeschaffenheit in einem Reisanbaugebiet von Myanmar : Feldexperiment und Modellierung

  • Agricultural production of smallholder farmers in Myanmar is facing soil fertility degradation and in consequence, crop yields decline due to the imbalances of nutrient supply. In most cases, all above ground biomass is removed from the fields after harvesting the crops and during land preparation for the next crop. Higher temperatures also stimulate the higher mineralisation rates and released mineral nutrients are lost from fallow lands before sowing the next crops. Regarding the addition of mineral fertilizers, except for cash crops, farmers are reluctant to apply fertilizers for the crops that are sown for household’s self-sufficiency. In the Dry Zone, irrigated agriculture is available in recent years and farmers could overcome water scarcity through irrigation. With the availability of irrigation water, farmers could prolong the cropping period, nevertheless crop yields are decreasing year by year. In recent decades, research findings are indicating the benefits of biochar application for soil fertility improvement and food security. Smallholder farmers can produce biochar from agricultural by-products such as pigeon pea stems, cotton stems and rice husks by using biochar stoves. Large-scale production is possible by producing both biochar and thermal energy simultaneously, such as getting rice husk biochar and producing thermal energy by burning rice husks. By those means, environmental pollution due to the smokes from stubble burnings and the health hazards from smokes arise from kitchens can also be reduced. Present research was conducted to test the effects of the application of biochars produced from different crop residues together with NPK fertilizers on crop yields and soil properties in the rice-chickpea-cotton cropping system of the Central Dry Zone area of Myanmar during 2012 and 2013 cropping seasons at Shwe Daung Farm, Mandalay Division, Myanmar. Effects of biochar applications in combination with NPK fertilizers were compared with NPK fertilizer (without biochar) application and the control (without biochar and NPK fertilizers). Biochars used in the experiments were produced from three kinds of locally available raw materials (rice husk, rice straw and, pigeon pea stem) at temperature above 550°C by using a kiln made from a 200-Liter diesel barrel. Field experiments were conducted on sandy loam soil in the Central Dry Zone of Myanmar. After harvesting rice in 2012, chickpea was sown without application of both organic and inorganic fertilizers. After harvesting chickpea in 2013, cotton was sown on the same experimental plots. Treatments were rice husk biochar (Rh) 20 Mg ha-1 + NPK fertilizers; rice straw biochar (Rs) 20 Mg ha-1 + NPK fertilizers; pigeon pea stem biochar (Ps) 20 Mg ha-1 + NPK fertilizers; rice husk biochar and farmyard manure mixture (Rh biochar + FYM) 10 Mg ha-1 + NPK fertilizers; NPK fertilizers (without biochar); and the control (without fertilizer and biochar). Biochar weights represented fresh biochar weights. Equal rate of NPK fertilizers were applied in all treatments. However, fertilizer rates were different with respect to the crops. In rice experiment, 100:50:50 kg ha-1 rate of Urea (N): Triple Super Phosphate (P): Muriate of potash (K) was applied. In cotton experiment, 100:30:117 kg ha-1 rate of Urea (N): Triple Super Phosphate (P): Muriate of potash (K) was applied. Crop growth data, yield component data and yield data of each treatment were recorded. Soil samples from topsoil (0-0.2 m) were taken before starting the experiments, after harvesting rice and cotton, respectively, and analysed. A biogeochemical model, denitrification decomposition (DNDC) model, was used to estimate soil organic carbon storage and greenhouse gas emissions during crop growing seasons and to quantify the long-term impact of biochar applications on rice, chickpea and cotton yields.The results from soil analyses indicated that although initial soil pH was at 8.0 and pH values of biochars ranged between 8.0 and 10.0 soil pH after two years of biochar application did not increase. pH values were below 8.0. That value was lower than initial soil pH. That could be due to the effect of the change of cropping system from upland to lowland rice cultivation and the effects of biochar additions to the alkaline sandy loamy soil of the experimental site. Although total exchangeable cation value was not significantly different among the treatments, compositions of major cations were significantly different among the treatments. Exchangeable potassium increased in Rs biochar + NPK applied soils. Exchangeable sodium increased in control, and conventional NPK fertilizer applied soils. Reduction of soil bulk density from 1.8 g cm-3 to 1.6-1.7 g cm-3 occurred in biochar treatments compared to control and conventional NPK fertilizer application treatments. Positive changes of total carbon and total nitrogen of soils were found in biochar treatments compared to control and conventional NPK fertilizer application. Application of pigeon pea stem biochar + NPK fertilizers showed the highest crop growth and the highest yield in rice. The highest chickpea yield was obtained from the plot that applied rice husk biochar + NPK fertilizers. Cotton crop growth and yield was the highest in rice husk biochar and farmyard manure mixture + NPK fertilizer application. The lowest crop growth and yield was obtained from the control in cotton. The results of this study suggested that biochars from different biomass materials had different effects on soil properties and crop yields under different growing conditions and cultivated crops. Although the applied biochars had a high pH, soil pH did not increase after biochar applications. The growth and yield of tested crops were higher than that of the control and conventional NPK fertilizer application. Rice husk biochar and farmyard manure mixture + NPK fertilizer application can be assumed as a suitable soil amendment application under upland crop cultivation. Pigeon pea stems biochar + NPK fertilizers should be applied in rice cultivation. Rice husk biochar + NPK fertilizers and rice husk biochar-farmyard manure mixture + NPK fertilizers showed as the appropriate biochar soil amendments for the study area compared to rice straw biochar + NPK fertilizers and pigeon pea stem biochar + NPK fertilizers. Application of these biochars increased total exchangeable cations, reduced bulk density, increased organic carbon, regulated soil pH and, can easily be accessed by smallholder farmers by promising crop yields for sustainable agricultural production. Rice straw biochar + NPK fertilizers and pigeon pea stem biochar + NPK fertilizers also showed positive influences on soil fertility and crop growth. However, extensive application of those biochars might require large-scale productions and distributions. To obtain the detail information regarding the impact of biochar application on the agro-ecosystem and surrounding atmosphere, further research activities may need to carry out under different agricultural production conditions. When model fitness was tested, it was found that DNDC model was fit for the simulation of crop yields and soil organic carbon under the conditions of the experimental site. Simulation of soil organic carbon dynamics and crop yields for 30 years and 50 years after the addition of biochars in combination with NPK fertilizers showed that such applications could maintain the crop yields at the same level up to 50 years. That could maintain soil organic carbon at a level higher than conventional NPK fertilizer application. Regarding the simulation of GHGs emissions, the model simulated nitrous oxide emission close to actual emissions of agricultural soils of Myanmar. Simulated CH4 emissions from control and conventional NPK fertilizer application variant were consistent with the well-known emissions of Myanmar rice fields. To confirm the accuracy of simulated CH4 emissions from biochar applied soils, it may need field investigations and validations of model results. Simulated effects of rice husk-, rice straw- and pigeon pea stem fresh biomass applications and that of rice husk-, rice straw- and pigeon pea stem biochar applications on rice, chickpea, cotton yields and soil organic carbon (SOC) were compared. Objective of this simulation was to compare the effects of fresh biomass-applications and the application of biochars produced from the same biomass on crop yields and SOC by using DNDC model. The results showed that simulated rice yields of rice husk biochar and rice straw biochar applications were 33% and 31%, respectively, higher than that of pigeon pea green manure applications. However, simulated rice yield from pigeon pea stem biochar application was 4% higher than that of iv pigeon pea stem green manure application. Simulated chickpea yield from pigeon pea green manure treatment was the highest among all of biochar and biomass applications. Simulated cotton yields obtained from fresh biomass applications were lower than that of biochar applications. In estimating the future yields, all crop yields from rice husk and rice straw biomass applications were lower than that of rice husk and rice straw biochar applications in the initial year of simulation. However, in the following years, the yields remained at the same level up to the end of simulated years. In pigeon pea stem green manure application, crop yields were higher than the other treatments since the initial year up to the end of simulated years. Simulated SOC was lower in fresh biomass applications compared to biochar applications.
  • Die landwirtschaftliche Produktion der Kleinbauern in Myanmar leidet unter einer kontinuierlichen Verminderung der Bodenfruchtbarkeit die ihrerseits Ernterückgänge nach sich zieht. Üblicherweise wird die gesamte oberirdische Biomasse nach der Ernte von Feld entfernt um das Land für die nächste Feldfrucht vorzubereiten. Zusätzlich bedingen hohe Temperaturen hohe Mineralisationsraten der verbliebenen unteririschen organischen Substanz und die daraus freigesetzten Nährstoffe gehen bereits vor der Einsaat der nächsten Frucht auf brach liegenden Feldern verloren. Bezüglich des Einsatzes von Mineraldüngern sind die selbstversorgenden Landwirte – außer bei Cash Crops – sehr zurückhaltend. In den Trockengebieten ist Bewässerungslandwirtschaft in den letzten Jahren möglich geworden und Landwirte können dem Wassermangel durch Bewässerung entgegenwirken.Obwohl durch die Verfügbarkeit von Bewässerungswasser die Ernteperiode verlängert werden konnte, sinken die Ernteerträge jedes Jahr weiter ab. In den letzten Jahrzehnten haben wissenschaftliche Untersuchungen den nutzbringenden Einsatz von Pflanzenkohle auf die Bodenfruchtbarkeit und die Ernährungssicherheit gezeigt. Pflanzenkohle kann von Kleinbauern aus landwirtschaftlichen Reststoffen, wie Reisspelzen selbst hergestellt werden. Auch groß-skalige Produktionen sind möglich, bei denen Pflanzenkohle und Wärme produziert werden. Auf diesem Wege könnten auch Umwelt-verschmutzungen durch Rauchgase beim Abbrennen der Erntereste und Gesundheitsrisiken durch Rauchentstehung in Haushalten reduziert werden. Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden durchgeführt, um den Effekt von Pflanzen-kohle auf Ernteerträge und Bodeneigenschaften in einem Reis-Kichererbsen-Baumwoll-Anbausystem in der zentralen Trockenzone von Myanmar während der Anbausaison 2012 und 2013 auf der Shwe Daung Farm, Mandalay Division, Myanmar zu testen.Die Pflanzenkohle für diese Untersuchungen wurde aus den drei in der Region vorhandenen Rohstoffen gewonnen: Reisspelzen, Reisstroh und Straucherbsenstängel. Die Biomasse wurde in einem Ofen aus einem 200 L Diesel Fass bei Temperaturen von über 550°C pyrolysiert.Die Feldexperimente wurden auf einem sandigen Lehmboden durchgeführt. Nach der Reisernte 2012 wurden auf den gleichen Untersuchungsflächen Kichererbsen ohne Zufuhr von Zusatzstoffen angebaut. Nach der Kichererbsenernte 2013 wurde Baumwolle ausgesät. Es wurde die Wirkung von Pflanzenkohleapplikationen- aus Reisspelzen mit NPK Dünge, aus Reisstroh mit NPK Dünger, und aus Straucherbsenstängeln mit NPK Dünge, sowie Gemischen aus Reisspelzen-Pflanzenkohle und Gülle zusammen mit NPK Dünge und auf die Erträge von Reis, Kichererbsen und Baumwolle untersucht und mit den Varianten Kontrolle (ohne Zuschlag von Pflanzenkohle und mineralischerm NPK Dünger) und NPK Dünger Applikation (Ohne Zuschlag von Pflanzenkohle) verglichen. Die Varianten waren Reisspelzen-Pflanzenkohle (Rh) 20 Mg ha-1 + NPK Dünger, Reisstroh-Pflanzenkohle (Rs) 20 Mg ha-1 + NPK Dünger, Straucherbsenstängeln-Pflanzenkohle (Ps) 20 Mg ha-1 + NPK Dünger, die Mischung aus Reisspelzen-Pflanzenkohle und Gülle (Rh biochar + FYM) 10 Mg ha-1 + NPK Dünger, NPK Dünger (Ohne Pflanzenkohle), und Kontrolle (ohne Zuschlag von Pflanzenkohle und mineralischer NPK Dünger). Die gleiche Menge von NPK Dünger wurden in allen Varianten addiert. Die Menge der NPK Dünger waren unterschiedlich bei den Kulturpflanzen; 100:50:50 kg ha-1 von Urea (N): Triple Super Phosphate (P): Muriate of potash (K) für Reis und 100:30:117 kg ha-1 von Urea (N): Triple Super Phosphate (P): Muriate of potash (K) für Baumwolle.Das Wachstum und die Ernteerträge jeder Variante wurden aufgenommen. Proben des Oberbodens (0-0.2 m) wurden vor Versuchsbeginn sowie nach der Reis- bzw. Baumwoll-ernte entnommen und analysiert. Da Feldmessungen der Treibhausgasemmissionen, des Bodenkohlenstoffs und -Stickstoffs von dem Einfluss der unterschiedlichen Pflanzenkohle-Applikationen abhängen und veränderbar sind, konnten sie experimentell nur stichprobenartig erfasst werden. Ein biogeochemisches Model (DNDC = Denitrifikation Dekomposition Model) wurde genutzt um folgende Parameter abzuschätzen: Kohlenstoffvorrat im Boden, Treibhausgasemissionen während der Wachstumsperiode und Langzeiteffekte der Applikation von Pflanzenkohle auf Baumwolle, Kichererbsen und Reiserträge. Die Ergebnisse der Bodenanalysen deuten darauf hin, dass obwohl der initiale Boden pH-Wert höher als 7 war und der pH-Wert der Pflanzenkohlen zwischen 8 und 10 lag, der Boden pH-Wert nach 2 Jahren Pflanzenkohleapplikation nicht erhöht war. Die pH-Werte lagen unter 8 und damit unter dem initialen pH Wert. Die Kationenaustauschkapazität (KAK) wurde im Vergleich zu den Ausgangswerten erhöht. Obwohl es keine signifikanten Unterschiede der KAK-Werte zwischen den Behandlungen gab, unterschied sich die Basen-Sättigung signifikant zwischen den Behandlungen. Außerdem kam es zu einer Verminderung der Lagerungsdichte von 1,8 zu 1,6-1,7 g cm-3 nach Pflanzenkohle + NPK Dünger Applikation im Vergleich zur Kontrolle oder der konventionellen NPK-Düngergabe (Ohne Pflanzenkohle) Variante. Positive Veränderungen wurden hinsichtlich des Gesamtskohlenstoff- und -Stickstoffgehaltes des Bodens nach Pflanzenkohle Applikation im Vergleich zur Kontrolle und konventionellen NPK Düngung festgestellt.Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass Pflanzenkohle aus verschiedenen Ausgangsmaterialien unterschiedliche Effekte auf Bodeneigenschaften und Ernteerträge unter unterschiedlichen Anbaubedingungen und kultivierten Feldfrüchten hat. Obwohl Pflanzenkohle einen hohen pH-Wert aufweist, wurde der pH des Bodens durch Pflanzenkohle-Applikation nicht verändert. Das Wachstum und die Erträge der untersuchten Feldfrüchte waren in den mit Pflanzenkohle + NPK Dünger behandelten Parzellen großer als in der Kontrolle oder der Applikation chemischer Düngemittel. Es kann angenommen werden, dass das Reisspelzen-Pflanzenkohle-Gemisch mit Gülle + NPK Düngerder am besten geeig-netste Bodenverbesserer für Hochland-Kulturen ist. Straucherbsen-Pflanzenkohle + NPK Dünger sollte als Bodenverbesserer im Reisanbau verwendet werden. In Anbetracht der Verbesserung der Bodenqualität, wie der KAK, reduzierter Lagerungsdichte, erhöhtem Bodenstickstoff, stabiler Boden pH-Werte und einfacher Verfügbarkeit für Kleinbauern sowie viel versprechender Erträge für eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion, sind Reisspelzen-Pflanzenkohle und die Mischung von Reisspelzen-Pflanzenkohle mit Gülle+NPK Dünger besser geeignet als NPK Dünger + Pflanzenkohlen aus Reisstroh und Straucherbsen-stängeln. Reisstroh- und Straucherbsenstängel-Pflanzenkohle wiesen auch einen günstigen Einfluss auf Bodenfruchtbarkeit und Feldfruchtwachstum auf. Jedoch ist die Verfügbarkeit für eine großflächige Anwendung nur bei einer Produktionsanlage im größeren Maßstab für Kleinbauern finanziell tragbar. In Anbetracht des Einflusses von Pflanzenkohle auf die Umweltqualität, sind weitere Untersuchungen unter den landwirtschaftlichen Produktions-bedingungen Myanmars notwendig.Das DNDC Model war geeignet die Ernteerträge, den organischen Bodenkohlenstoff und Lachgasemissionen der Untersuchungsflächen abzuschätzen. Die Simulation der organischen Kohlenstoff-Dynamik im Boden und der Erträge für 30 und 50 Jahre nach den Pflanzen-kohleapplikationen-mit NPK Dünger ergab, dass diese dazu führt, das die Ernteerträge und der Gehalt an organischem Kohlenstoff auch langfristig auf einem Level gehalten werden können, der über dem liegt, was konventionelle Düngung erzielen würde. In Bezug auf die Treibhausgasemissionen simulierte das Model Lachgasemissionen, die sehr nah an den aktuellen Emissionshöhen von landwirtschaftlich genutzten Böden Myanmars liegen. Simulierte CH4 Emissionen der Kontrolle und der konventionellen NPK-Variante stimmten überein mit den Emissionen auf Reisfeldern in Myanmar. Um die Genauigkeit der simulierten CH4 Emissionen von Pflanzenkohle beaufschlagten Reisböden zu bestätigen, sind noch mehr Felduntersuchungen und Validierungen der Modellergebnisse notwendig. Die Auswirkungen der Biokohle aus Reisspelzen, Reisstroh und Straucherbsenstängel sowie der unverkohlten frischen Biomasseauf Reis-, Kichererbsen- und Baumwollerträge, und Bodenkohlenstoff (SOC) wurden simuliert und mit den gemessenen Auswirkungen der Reisspelzen, Reisstroh und Straucherbsenstängel Pflanzenkohle Applikationen auf die Kulturen, und SOC zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die simulierten Reiserträge von Reisspelzen Pflanzenkohle und Reisstroh Pflanzenkohle Applikationen 33% und 31%, höher waren als die der Straucherbsenstängel Gründüngungs anwendungen. Jedoch simuliert Reisertrag aus Straucherbsenstängel Pflanzenkohle Anwendung war 4% höher als die der Straucherbsenstängel Gründünger-Applikation. Simulierte Kichererbsen Erträge von StraucherbsenstängelGründüngerVariante war am höchsten unter allen von Pflanzenkohle und Biomasse-Applikationen. Simulierte Baumwolle Erträge von frischer Biomasse-Applikationen waren niedriger als die von Pflanzenkohle-Applikationen. Bei der Schätzung der zukünftigen Erträge waren alle Ernteerträge aus Reisspelzen und Reisstroh frische Biomasse-Applikationen niedriger als ihre Pflanzenkohle Applikationen im ersten Jahr der Simulation. In den folgenden Jahren, jedoch blieben die Erträge in gleicher Höhe bis zum Ende der Simulationen. In Straucherbsenstängel Gründüngung Applikation, waren die Erträge höher als alle anderen Varianten, da das erste Jahr bis zum Ende der Simulation. Simulierten organischen Kohlenstoff war niedriger in frischer Biomasse-Applikationen im Vergleich zu Pflanzenkohle-Applikationen.

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Author:Khin Zar Kyaw
Advisor:Brigitte Urban (Prof. Dr.), Andreas Siegfried Pacholski (Prof. Dr.)
Referee:Soe Soe Thein (Prof. Dr.)GND, Henrik von Wehrden (Prof. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Year of Completion:2015
Date of Publication (online):2016/06/03
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2015/07/22
Release Date:2016/06/03
Tag:Biochar; soil organic carbon; soil quality; yield
GND Keyword:Pflanzenkohle; Ertrag; Bodengüte
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit
Dewey Decimal Classification:3 Sozialwissenschaften / 33 Wirtschaft / 333.7 Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht