Sustainable optimization of rice production in Colombia: Integrating intermittent irrigation strategies, cultivar selection, and heat-resistant genotypes for greenhouse gas emission mitigation and preservation of agricultural yields in diverse climatic conditions
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Date
2024
Authors
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Publisher
Pontificia Universidad Javeriana Cali
Abstract
La sostenibilidad en la producción de arroz en América Latina es crucial para preservar nuestros ecosistemas, prevenir la degradación del suelo y contribuir a la mitigación del cambio climático. Este estudio se centró en enfrentar desafíos específicos relacionados con la gestión del agua, las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la selección de variedades de arroz e identificación de genotipos resistentes a condiciones de altas temperaturas. La implementación de prácticas como el riego de alternancia de inundación y secado (AWD) se exploró como estrategia para mantener los rendimientos del cultivo, reduciendo al mismo tiempo el impacto ambiental. Se evaluaron diversos cultivares en términos de emisiones de metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), rendimiento del grano y su contribución al calentamiento global. Además, se investigó el cambio de inundación a riego intermitente en diversas regiones colombianas, revelando beneficios significativos en la reducción de emisiones y la preservación de los rendimientos del cultivo. La eficiencia en el uso de fertilizantes y la gestión óptima del agua emergieron como prácticas clave para lograr una producción de arroz más sostenible. En resumen, este estudio proporciona una visión integral y estratégica para mejorar la sostenibilidad de la producción de arroz, considerando la gestión eficiente del agua y la reducción de emisiones de GEI en contextos regionales específicos. La creciente demanda de arroz en América Latina requiere prácticas sostenibles de riego para abordar la escasez de agua y reducir las emisiones de GEI. Este estudio investiga el potencial de AWD en comparación con métodos convencionales en el cultivo de arroz tropical en Colombia. Durante cuatro temporadas, los tratamientos AWD (AWD5cm y AWD10cm) demostraron una reducción del 19-56% en el uso acumulado de agua, especialmente en estaciones secas. Además, AWD redujo significativamente las emisiones de CH4 en un 72-100% y las emisiones de N2O en un 12-70%, resultando en una reducción del 25-73% en el potencial de calentamiento global (PCG) en comparación con el control, con un impacto mínimo en la productividad del cultivo (5.2-8.2 Mg ha-1). Los hallazgos sugieren que AWD es una estrategia prometedora para mitigar las emisiones de GEI en el cultivo de arroz tropical a pesar de las barreras de adopción. La selección de cultivares emerge como un factor crítico en la mitigación de GEI, como se demostró en un estudio paralelo sobre cuatro cultivares comerciales de arroz en dos regiones de Colombia. Los resultados indicaron que las emisiones de CH4 y el GWP fueron relativamente bajos debido al drenaje frecuente del campo, con las emisiones de N2O contribuyendo en su mayoría al GWP. Variedades específicas, como F-67 y F-Itagua, redujeron significativamente el GWP en un 32-61%, principalmente a través de la reducción de las emisiones de N2O. Este estudio destaca el papel de la selección de variedades de arroz en la reducción de las emisiones de N2O bajo irrigación no continua, una práctica crucial para abordar el cambio climático y la escasez de agua. Además, esta investigación contrasta el impacto de la gestión del agua en tratamientos de riego intermitente e inundado en dos regiones colombianas, Tolima y Casanare. Al evaluar las emisiones de CH4 y N2O, el PCG y el rendimiento del cultivo para dos variedades comerciales de arroz, los hallazgos revelan que la transición de la inundación al riego intermitente reduce significativamente las emisiones de CH4 en aproximadamente un 100% en ambas regiones. Notablemente, se observa una reducción del 54 al 78% en las emisiones de N2O en Tolima, del 6 al 46% en sistemas de secano y un 100% en sistemas irrigados con manejo de la humedad del suelo durante la fertilización en Casanare. En general, el GWP experimenta una reducción que oscila entre el 62 y el 85% en Tolima, del 14 al 62% en sistemas de secano y un 100% en el sistema irrigado en Casanare, destacando el potencial del riego intermitente para minimizar el GWP global y preservar los rendimientos. Por último, una investigación centrada en variedades comerciales de arroz y genotipos resistentes al calor en la región de Tolima bajo riego intermitente e inundado reveló una reducción en las emisiones de CH4 (74-75% en variedades comerciales, 81-95% en genotipos) y una reducción del 61-85% en el GWP. No se observaron diferencias significativas en las emisiones de N2O entre cultivares y tratamientos, enfatizando el papel de la gestión de recursos hídricos sobre la selección de cultivares. A pesar de proporcionar valiosos conocimientos y reconocer las limitaciones del estudio, se propone la investigación futura para explorar el impacto de condiciones climáticas extremas en la sostenibilidad y productividad de diferentes cultivares de arroz. Esta investigación abre la puerta a un estudio más profundo de estrategias de mitigación en diversos aspectos de las prácticas agronómicas del arroz, como los tipos de siembra, el manejo de fertilizantes y la selección de genotipos. El objetivo es determinar el impacto ambiental de estas estrategias sin comprometer la seguridad alimentaria y económica del agricultor. Adicionalmente, este estudio proporciona una base de conocimiento crucial sobre el comportamiento de los cultivos de arroz bajo diferentes prácticas de manejo del riego en condiciones arroceras contrastantes. Asimismo, ofrece información valiosa acerca de los factores de emisión de CH4 y N2O, constituyendo contribuciones significativas para la elaboración de inventarios a nivel nacional y departamental de gases de efecto invernadero en Colombia. Estas contribuciones son fundamentales para fortalecer las Acciones de Mitigación Nacionalmente Apropiadas (sigla en inglés: NAMAs). Además, se busca proporcionar apoyo a los agricultores, permitiéndoles evaluar y considerar qué tipo de prácticas agronómicas pueden contribuir efectivamente a reducir el impacto ambiental y mejorar sus condiciones socioeconómicas y de seguridad alimentaria.
Description
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Enhancing the sustainability of rice production in Latin America is crucial to preserve nat-ural ecosystems, prevent soil degradation, and contribute to climate change mitigation. Through a series of four experiments, this study addressed specific challenges related to water manage-ment, rice variety selection, and identifying genotypes resistant to high temperatures for reducing greenhouse gas (GHG) emissions. Implementing practices such as alternate wetting and drying (AWD) irrigation was explored to maintain crop yields while reducing environmental impact. Var-ious rice cultivars were assessed for methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions, grain yield, and their contribution to global warming. The shift from continuous flooding to intermittent irrigation in different Colombian regions revealed significant benefits in emission reduction and crop yield preservation. Efficient fertilizer application and optimal water management emerged as critical practices for achieving more sustainable rice production. In summary, this study provides a comprehensive and strategic perspective to enhance the sustainability of rice production, con-sidering efficient water management and GHG emission reduction in specific regional contexts. The escalating demand for rice in Latin America necessitates sustainable irrigation prac-tices to address water scarcity and reduce GHG emissions. This study investigates the potential of AWD irrigation compared to conventional methods in tropical rice cultivation in Colombia. Over four seasons, AWD treatments (AWD5cm and AWD10cm) demonstrated a 19-56% reduction in cu-mulative water use, particularly in dry seasons. Additionally, AWD significantly lowered CH4 emis-sions by 72-100% and N2O emissions by 12-70%, resulting in a global warming potential (GWP) reduction of 25-73% compared to the control, with minimal impact on crop productivity (5.2-8.2 Mg ha-1). The findings suggest that AWD is a promising strategy for mitigating GHG emissions in tropical rice cultivation despite adoption barriers. Cultivar selection emerges as a critical factor in GHG mitigation, as demonstrated in a parallel study on four commercial rice cultivars in two regions of Colombia. Results indicated that CH4 emissions and GWP were relatively low due to frequent field drainage, with N2O emissions as the majority contributor to the GWP. Specific varieties, such as F-67 and F-Itagua, significantly reduced GWP by 32-61%, primarily through N2O emissions reduction. This study highlights the role of rice variety selection in reducing N2O emissions under non-continuously flooded irrigation, a practice crucial in addressing climate change and water shortages. Furthermore, this research contrasts the impact of water management in intermittent and flooded rice irrigation treatments across two Colombian regions, Tolima, and Casanare. Evaluating CH4 and N2O emissions, GWP, and crop yield for two commercial rice varieties reveals that transitioning from flooding to intermittent irrigation significantly reduces CH4 emissions by approximately 100% in both regions. Notably, a 54 to 78% reduction in N2O emissions is observed in Tolima, 6 to 46% in rainfed systems, and 100% in irrigated systems with soil moisture manage-ment during fertilization in Casanare. Overall, GWP sees a reduction ranging from 62 to 85% in Tolima, 14 to 62% in rainfed systems, and 100% in the irrigated system in Casanare, highlighting the potential of intermittent irrigation in minimizing overall GWP and preserving yields. Lastly, a focused investigation on two commercial rice varieties with mitigation potential and heat-resistant genotypes in the Tolima region under intermittent irrigation and flooding conditions revealed reduced CH4 emissions (74-75% in commercial varieties, 81-95% in genotypes) and a 61-85% reduction in GWP. No significant differences in N2O emissions between cultivars and treatments were observed, emphasizing the role of water resource management over cultivar selection. Despite yielding valuable insights and acknowledging study limitations, future research is proposed to explore the impact of extreme climatic conditions on the sustainability and productivity of different rice cultivars. This research opens the door to a deeper study of mitigation strategies in various aspects of rice agronomic practices, such as planting types, fertilizer management, and genotype selection. The goal is to determine the environmental impact of these strategies without compromising farmers' food and economic security. Additionally, this study provides a crucial knowledge base on the behavior of rice crops under different irrigation management practices in contrasting rice-growing conditions. It also offers valuable information on CH4 and N2O emission factors, making significant contributions to the development of national and departmental inventories of green-house gases in Colombia. These contributions are essential for strengthening Nationally Appropriate Mitigation Actions (NAMAs). Moreover, it aims to support farmers by enabling them to assess and consider which agronomic practices can effectively reduce environmental impact and improve their socio-economic and food security conditions.
Keywords
Irrigación intermitente, Inundación continua, Seguridad alimentaria, Potencial de calentamiento global, Humectación y secado alterno (AWD), Intermittent irrigation, Continuous flooding, Food security, Global warming potential (GWP), Alternative wetting and drying (AWD)