Environmental and economic assessment of the intensive wheat - maize production system in the North China Plain

To ensure food security for its vast population input intensification in crop production has been one of Chinas major strategies in the last decades. However, the negative environmental impact of the highly intensive crop production becomes apparent. Especially the emission of greenhouse gases (GHG) constitutes a major sustainability issue of crop production in China. The winter wheat - summer maize (WW-SM) double cropping system plays a crucial role for Chinas national food security. Strong research efforts mainly focusing on field experiments insufficiently consider the economic viability of the proposed improvement strategies and farmersactual crop management. Therefore this study aims to fill this void by assessing farmersactual crop management in the WW-SM production system, with regard to its environmental and economic performance to derive suitable improvement strategies for more sustainable crop production in the North China Plain (NCP). This cumulative PhD thesis consists of three papers published or accepted with revisions in international peer-reviewed journals. A field survey conducted in 2011 interviewing 65 WW-SM producing farm households constitutes the core data base for the thesisanalysis. The data was supplemented by expert interviews and specific secondary data. Partial life cycle analysis and economic assessment were conducted, comprising GHG emission, product carbon footprint (PCF), gross margin (GM), variable cost per unit product and life cycle costing (LCC) as key environmental and economic indicators, respectively. The first article describes the status quo of single farm environmental and economic performance of 65 WW-SM producers. The results revealed a huge heterogeneity among farms. Astonishingly no trade-off between productivity and sustainability could be identified in the region. Building on cluster analysis, with farms grouped according to their economic and environmental performance into poor, fair and good producers, the regional GHG mitigation potential was estimated. Under the scenario assumption that all grain in the NCP is produced under good production conditions, 21% and 7% of GHG could be mitigated in wheat and maize production, respectively. To be able to address the existing heterogeneity and develop strategies towards attaining GHG mitigation in practice, the second article aimed at assessing the factors determining farmers current environmental and economic performance. Using stepwise multiple linear regression (SMLR) it was revealed that nitrogen (N) input and electricity for irrigation were responsible for 0.787 and 0.802 of variability (adjusted R2) in the GHG emission results of the WW and SM production, respectively. Electricity for irrigation and labor were the most significant factors explaining the differences in LCC of WW and SM production, with an adjusted coefficient of determination (adjusted R2) of 0.397 and 0.29. This finding indicates that N input, electricity for irrigation and labor are key target areas for lowering GHG emissions and production costs of the WW-SM production system in the NCP. As revealed in the second article overuse of N fertilizer, which actually constitutes a major current issue in China, offers great potential for reducing GHG emissions and production costs in the WW-SM production system. Therefore in the third article three simple and easily to apply N fertilizer recommendation strategies are tested, which could be implemented on large scale through the existing agricultural advisory system of China, at comparatively low cost. Building on the household dataset, the effects of the three N strategies under constant and changing yield levels on PCF and GM were determined for every individual farm household. The N fixed rate strategy realized the highest improvement potential in PCF and GM in WW; while the N coefficient strategy performed best in SM. The analysis furthermore revealed that improved N management has a significant positive effect on PCF, but only a marginal and insignificant effect on GM. On the other side, a potential 10 % yield loss would have only a marginal effect on PCF, but a detrimental effect on farmersincome. It will be of vital importance to avoid any yield reductions and respective severe financial losses, when promoting and implementing advanced fertilization strategies. Therefore, it is furthermore recommended to increase the price of fertilizer, improve the agricultural extensions system, and recognize farmers fertilizer related decision-making processes as key research areas. The presented thesis gives valuable contributions to the development of environmentally and economically more sustainable crop production systems in the NCP. The thesis concludes that an adjustment in the agricultural advisory system is required, supported by more interdisciplinary research, which is able to address the inherent complexity of realizing more sustainable crop production in China.In seinen Anstrengungen Ernährungssicherheit für seine riesige Bevölkerung zu gewährleisten, stellt die Intensivierung der Pflanzenproduktion Chinas wichtigste Strategie dar. Jedoch treten in den letzten Jahren vermehrt die negativen Umweltwirkungen der hochintensiven Pflanzenproduktion zu Tage. Emission von Treibhausgasen (THG) und der entsprechende Beitrag zur globalen Erwärmung sind besonders ein großes Nachhaltigkeitsproblem der Pflanzenproduktion in China. Als wichtigstes Anbausystem in Nordchina spielt das Winterweizen - Sommermais - Doppelanbausystem eine wichtige Rolle für Chinas Ernährungssicherheit. Die Agrarforschung konzentriert sich auf Feldversuchsbasierte Ansätze. Daher zielt die vorliegende Studie darauf ab, diese Lücke durch die Evaluierung des tatsächlichen ackerbaulichen Managements der Landwirte im WW-SM Produktionssystem zu schließen. Durch die ökologische und ökonomische Bewertung des Systems können passende Verbesserungsstrategien für eine nachhaltigere Pflanzenproduktion in China entwickelt werden, mit besonderem Fokus auf THG Vermeidung in der nordchinesischen Tiefebene (NCT). Diese kumulative Dissertation besteht aus drei Artikeln, die in internationalen peer-reviewed Zeitschriften veröffentlicht oder mit Revision zur Veröffentlichung akzeptiert sind. Eine 2011 durchgeführte Feldstudie bei der 65 WW-SM produzierende landwirtschaftliche Betriebe befragt wurden stellt die Datengrundlage dieser Thesis. Die Daten wurden durch Experteninterviews und spezifische Sekundärdaten ergänzt. Partielle Lebenszyklusanalyse und ökonomische Bewertung wurden durchgeführt, die THG-Emissionen, Produkt-CO2-Fußabdruck (PCF), Deckungsbeitrag (DB), variable Kosten pro Produktionseinheit (VK) und Lebenszykluskosten (LZK) als ökologische und ökonomische Schlüsselindikatoren umfassten. Der erste Artikel beschreibt eine sehr hohe Heterogenität unter den Betrieben. Erstaunlicherweise zeigte sich in der Region nicht der erwartete Zielkonflikt zwischen Produktivität und Nachhaltigkeit; Hochertragsbetreibe emittierten keine erhöhten Mengen an THG pro Hektar im Vergleich zu den Niedrigertragsbetrieben. Aufbauend auf Clusteranalyse, bei der die Betriebe entsprechend ihres ökologischen und ökonomischen Abschneidens nach schwachen, mittleren und guten Betreiben gruppiert wurden, wurde das regionale THG-Vermeidungspotential bewertet. Um die existierende Heterogenität zu adressieren und Treibhausgasvermeidungsstrategien für die Praxis zu entwickeln, zielte der zweite Artikel darauf ab, die Einflussfaktoren des ökonomischen und ökologischen Abschneidens der Landwirte zu eruieren. Während im Durchschnitt 4107 und 3185 kg CO2-äquivalente THG-Emissionen pro Hektar, und LZK von 1176 und 1190 US$ pro Hektar im WW und SM ermittelt wurden, existiert eine gewaltige Streuung unter den Produzenten. Die Ergebnisse zeigt, dass Stickstoffdüngung, Elektrizität für Bewässerung und Arbeitseinsatz die Schlüsselgebiete zur Verringerung der THG-Emissionen und Produktionskosten in der WW und SM Erzeugung in der NCP darstellen. Wie die Analyse des zweiten Artikels gezeigt hat, liegt in der Reduzierung der Stickstoffüberdüngung, die derzeit eines der akutesten Probleme der Pflanzenproduktion in China darstellt, ein sehr großes Potential die THG-Emissionen und Produktionskosten im WW-SM Anbausystem zu reduzieren. Daher werden im dritten Artikel drei klare und einfach anzuwendende N-Düngungsempfehlungsstrategien getestet, die in großem Maßstab durch das existierende landwirtschaftliche Beratungssystem Chinas zu geringen Kosten implementiert werden könnten. Aufbauend auf dem detaillierten Pflanzenproduktions-datensatz der 65 WW-SM produzierenden Betriebe wurde Szenarien-Analyse angewandt. Die Effekte der drei N-Strategien auf PCF und DB wurden unter konstantem und sich verändernden Ertragsniveau unter den Produktionsbedingungen jedes individuellen Haushalts bestimmt. Die N fixierte Rate Strategie erzielte das höchste Verbesserungspotential im PCF und DB im WW; hingegen erzielte die N Koeffizienten Strategie die besten Ergebnisse im SM. Die Analyse hat desweiteren gezeigt, dass ein verbessertes N Management ein signifikant positiven Effekt auf PCF hat, jedoch nur einen marginalen und insignifikanten Effekt auf DB. Auf der anderen Seite hätte ein potentieller Ertragsverlust um 10% nur einen marginalen Effekt auf den PCF, jedoch einen sehr nachteiligen Effekt auf das Einkommen der Landwirte. Die vorliegende Thesis bietet wichtige Beiträge zur Entwicklung ökologisch und ökonomisch nachhaltigerer Pflanzenproduktionssysteme in der NCT. Die aufeinander aufbauenden Analysen der drei Artikel zeigt klar, dass eine potentielle Optimierung des ackerbaulichen Managements der Landwirte, dass auf eine Verringerung der Umweltbelastung abzielt, gleichzeitig zu einer ökonomisch vorteilhaften Entwicklung führt

Sustainable Use of Soils and Water: The Role of Environmental Land Use Conflicts

This book on the sustainable use of soils and water addressed a variety of issues related to the utopian desire for environmental sustainability and the deviations from this scene observed in the real world. Competing interests for land are frequently a factor in land degradation, especially where the adopted land uses do not conform with the land capability (the natural use of soil). The concerns of researchers about these matters are presented in the articles comprising this Special Issue book. Various approaches were used to assess the (im)balance between economic profit and environmental conservation in various regions, in addition to potential routes to bring landscapes back to a sustainable status being disclosed

Land Quality and Landscape Processes

This monograph contains a selection of scientific papers presented on the conference on Land Quality and Landscape Processes, hold in Keszthely, Hungary. It covers topics related to various aspects of land quality including : concepts of assessment; evaluation of biomass productivity ; bioindicators of land quality ; quality assessment of degraded land ; land use related data processingJRC.H.5-Land Resources Managemen

Integrated Water Resources Management Karlsruhe 2010 : IWRM, International Conference, 24 - 25 November 2010 conference proceedings

In dieser Arbeit werden dual-orthogonal, linear polarisierte Antennen für die UWB-Technik konzipiert. Das Prinzip zur Realisierung der Strahler wird vorgestellt, theoretisch und simulativ untersucht, sowie messtechnisch verifiziert. Danach werden Konzepte zur Miniaturisierung der Strahler dargelegt, die anschließend zum Aufbau von Antennengruppen verwendet werden. Die Vorteile der entwickelten Antennen werden praktisch anhand des bildgebenden Radars und des Monopuls-Radars gezeigt

Chinese cropping systems are a net source of greenhouse gases despite soil carbon sequestration

This work was funded by National Basic Research Program of China (2014CB953800), Young Talents Projects of the Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences (IUEMS201402), National Natural Science Foundation of China (41471190, 41301237, 71704171), China Postdoctoral Science Foundation (2014T70144) and Discovery Early Career Researcher Award of the Australian Research Council (DE170100423). The work contributes to the UK-China Virtual Joint Centres on Nitrogen “N-Circle” and “CINAg” funded by the Newton Fund via UK BBSRC/NERC (grants BB/N013484/1 and BB/N013468/1, respectively).Peer reviewedPostprintPostprin

Economic analysis on the agro-environmental impacts of management and policy measures in the North China Plain

The increased use of agricultural inputs like fertilizers and pesticides led to wide-spread negative environmental impacts of agriculture in the North China Plain (NCP). The context of this research is that, due to continued growth of the population and the economy, the demand for agricultural products in China is gradually rising. However resources like land and water are scarce in China. Therefore new strategies need to be developed which do not put additional strains on the environment but meet the expected demand. The NCP is regarded as China?s most important agricultural region. This work aims at describing and discussing the environmental effects of agriculture in the NCP. The extent of these environmental impacts is presented. An essential part of this work is the in-depth description and analysis of the current cropping systems and farming practices, which is based on the findings a household survey. The central hypothesis of this work is that a change of the management systems is able to meet the production goals, to achieve a higher input-output efficiency and to reduce negative environmental impacts. Embedded in the objectives of this work, the main goals are the description of current agricultural practices and related negative environmental impacts, the definition of agro-environmental management and policy measures, impact analysis of management and policy measures and the development of suggestions for further research. The second chapter aims at introducing the background of this research, i.e. the environmental impacts of agriculture. Hereby the focus lies on the introduction of relevant and characteristic farming practices and on the related institutional setting. Then the processes of data acquisition and data handling for this work are described. The descriptive analysis presents the findings from a survey in July 2008; it aims at describing the characteristics of the surveyed farm households. Chapter 5 describes the methodologies which are applied for the analysis in this work. The first part describes the methodology of Linear Programming and its selection process. The second part explains the selection process for the integrated households. The last part describes the processes of environmental assessment by means of selected indicators. In chapter 6 the model is applied to simulate and analyze the selected households in changing scenarios. Each Scenario is described individually. Then the simulation results are presented and discussed. In chapter 7 possible strategies to reduce environmental impacts of farming in the NCP ? considering the objectives of this work: sustainability and food security ? are discussed. The discussion focuses on the two main problems in the research area: fertilization and water. The analysis showed that current farming practices in the research area are not sustainable and can, thus, threaten future food security in China. The dilemma of the research area is that intensive agricultural production cannot be reduced because high yields are needed to feed the growing demand from a (economically) growing population. Simultaneously high resource consumption and pollution from farming cannot continue as that could eventually result in irreversible damage to agriculture in the NCP and also threatens livelihoods. Finally strategic policy recommendations, characteristics of improved management practices and recommendations for further research are presented. These recommendations can play an important role in decision guiding for policy makers. After reviewing other studies in the NCP, it has to be concluded that this work represents one of the most comprehensive analysis of the agricultural practices in the Hebei province. It was demonstrated that management practices for maize and wheat exist which can result in higher input-output efficiency and which are economically more profitable ? especially production options which include intercropping of other crops or demand-driven fertilization and irrigation. The hypothesis was tested to be valid. The simulation of optimization options showed that economically more profitable production options exist. These optimized production options are characterized by a more efficient factor input (mainly water and fertilization) and resulting decreased environmental impacts. The policy of a premium for reduced water use resulted in the highest simulated increases of total contribution margins with simultaneously reduced negative environmental impacts. However the simulation also revealed that, in order to ensure food security, incentives for producing wheat should be provided as it is the economically least profitable main crop, but it has important functions for own consumption. The simulation also revealed that policies aimed at increasing output prices of the main crops (in combination with optimized production options) can result in total higher contribution margins and decreased negative environmental impacts and higher resource use efficiency. It should be noted that the optimum results did not integrate production options which the surveyed farmers are currently applying ? this indicates that current practices are not efficient. Many studies state that knowledge transfer systems and extension services in the NCP are deficient. The survey showed that the majority of the households did not have contact with the extension services, and, moreover, most of the households never received agricultural training. A knowledge transfer program can be an efficient tool to reduce environmental impacts of farming in the NCP. In addition specific recommendations and systems under considerations of socio-economic approaches have to be developed to improve knowledge transfer and services to farmers in the NCP. Appropriate decision support systems for efficient land use in the research area have to be developed. This study showed that laws and regulations regarding environmental impacts exist, but they are not reliably enforced. Many studies state that the current institutional framework for water management is inadequate and that it, thus, represents one of the causes for the overexploitation of water resources. Therefore the responsibilities should be clearly defined in order to be able to create incentives for saving water and to increase efficiencies. Furthermore, farmers? water rights are not secure and transparent. Therefore plans, based on scientific estimations for water supply and demand, are needed to clearly define and enforce water use rights. Besides clearly defined and enforced water use rights, also longer, enforced and secure land-use rights might facilitate the adoption of sustainable farming practices. Also the institutional set-up complicates the implementation of policies. Therefore institutional change with coordinated efforts is needed. Decentralized and regionalized administrations might increase the effectiveness of policies. In addition the institutional framework has to be updated to the specific requirements in the NCP. One of the main reasons for problems related to water management is that it represents a mostly unregulated resource in the NCP. The survey showed that fertilizer use is strongly varying, overuse and undersupply occur in the research area. The strongly varying and inadequate fertilizer applications endanger the sustainability of the agricultural systems in the NCP. Furthermore the organic matter contents in the soils are too low. The survey also revealed that the farmers in the research area are not informed about the quality of their soils. Integrated into knowledge transfer programs, providing opportunities for soil analysis to the local farmers could result in fertilization practices which are based on the nutrient contents of the soil and, thus, are more efficient. Structural development projects in the Chinese rural areas need to be continued, especially in the research are, to avoid a rural exodus. The living conditions in the rural areas ? in terms of income, education and health services ? are still not comparable with the conditions in urban areas. Chinese policy has to focus on stopping the further decline of the ground water tables. Furthermore a conscious water use and environmental awareness for all stakeholders has to be created in order to avoid that pollution or resource scarcity and misuse will further reduce agricultural production in the NCP. The social costs of further decreased agricultural production in the NCP would be unbearable.Der erhöhte Einsatz von landwirtschaftlichen Betriebsstoffen (wie z.B. Düngemittel und Pestizide) hat zu weit verbreiteten negativen Umweltauswirkungen der Landwirtschaft in der Nordchinesischen Tiefebene (NCP) geführt. Der Kontext dieser Arbeit ist der fortschreitende Anstieg der Nachfrage nach Agrarprodukten aufgrund des kontinuierlichen Wachstums der Chinesischen Wirtschaft und Bevölkerung. Ressourcen wie Land und Wasser sind jedoch knapp in China. Daher müssen neue Strategien entwickelt werden, welche keine weiteren Belastungen für die Umwelt darstellen, aber den erwarteten Bedarf decken. Die NCP wird als wichtigste Agrarregion Chinas angesehen. Diese Arbeit analysiert und beschreibt die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft in der NCP. Der Umfang dieser Umweltauswirkungen wird vorgestellt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit ist die gründliche Beschreibung und Analyse der derzeitigen Anbausysteme und Bewirtschaftungsmethoden, welche sich auf die Ergebnisse einer Haushaltsbefragung stützen. Die zentrale Hypothese dieser Arbeit ist, dass eine Veränderung der Managementsysteme die Produktionsziele erfüllen kann, die input-output Effizienz erhöhen und die negativen Umweltauswirkungen verringern kann. In diesem Kontext lauten die Ziele der Arbeit: die Darstellung der derzeitigen Bewirtschaftungsmethoden und der zugehörigen Umweltauswirkungen, die Definition von Agrar- und Umweltbewirtschaftungs- und Politikmaßnahmen, die Analyse der Auswirkungen von Bewirtschaftungs- und Politikmaßnahmen und die Entwicklung von Vorschlägen für weitere Forschung. Das zweite Kapitel stellt die Hintergründe dieser Arbeit vor, d.h. im speziellen die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft. Hierbei liegt der Fokus auf der Beschreibung der relevanten und charakteristischen Bewirtschaftungsmethoden, sowie dem institutionellen Rahmen. Dann werden die Prozesse der Datenbeschaffung und der Datenhandhabung dargestellt. Die beschreibende Analyse stellt die Ergebnisse der Haushaltsuntersuchung vom Juli 2008 vor; die Kenndaten der untersuchten Haushalte werden in diesem Kapitel beschrieben. Kapitel 5 erklärt die Analysemethoden dieser Arbeit. Zuerst werden die Auswahlprozesse und die Methoden der linearen Programmierung erklärt. Der zweite Teil stellt den Auswahlprozess für die Haushalte dar. Der letzte Teil erklärt die Umweltbewertung anhand von ausgewählten Umweltindikatoren. Im 6. Kapitel wird das Model angewandt, um die ausgewählten Haushalte in verschiedenen Szenarien zu simulieren und zu analysieren. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Simulation beschrieben und analysiert. In Kapitel 7 werden ? unter Berücksichtigung der Zielsetzung dieser Arbeit ? die möglichen Strategien, um die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft in der NCP zu reduzieren, diskutiert. Diese Diskussion konzentriert sich auf die beiden Hauptprobleme der Forschungsregion: Düngung und Bewässerung. Im letzten Teil dieser Arbeit werden strategische Politikempfehlungen, die Charakteristika von verbesserten Bewirtschaftungsmaßnahmen und Vorschläge für weitere Forschung vorgestellt. Diese Empfehlungen können bei der Entscheidungsfindung von politischen Entscheidungsträgern eine wichtige Rolle spielen. Die Analyse hat gezeigt, dass die derzeitigen Anbausysteme in der Forschungsregion nicht nachhaltig sind und daher die zukünftige Ernährungssicherung in China bedrohen können. Das Dilemma der Forschungsregion ist, dass die intensive landwirtschaftliche Produktion nicht verringert werden kann, da hohe Erträge benötigt werden, um die (ökonomisch) wachsende Chinesische Bevölkerung zu ernähren. Gleichzeitig können der hohe Ressourcenverbrauch und die Umweltverschmutzung der Landwirtschaft nicht fortgeführt werden, da dies letztendlich zu irreversiblen Schäden in der Landwirtschaft in der NCP führen könnte, die dann die Existenzgrundlagen bedrohen. Nach der Revision von anderen Studien in der NCP wurde festgestellt, dass diese Arbeit eine der umfangreichsten Analysen der landwirtschaftlichen Praxis in der Hebei Provinz darstellt. Es konnte gezeigt werden, dass Bewirtschaftungsmaßnahmen für Mais und Weizen existieren, welche zu einer verbesserten input-output Effizienz führen und ökonomisch profitabler sind ? speziell Maßnahmen mit Zwischenfruchtanbau oder bedarfsorientierter Düngung und Bewässerung. Die Gültigkeit der Hypothese konnte also bewiesen werden. Die Simulation von Optimierungsoptionen hat gezeigt, dass Anbaumaßnahmen existieren, welche ökonomisch profitabler sind. Diese optimierten Anbaumethoden sind durch einen effizienteren Faktoreneinsatz (hauptsächlich Wasser und Düngung) und resultierende geringere Umweltauswirkungen charakterisiert. Die Politikmaßnahme der Prämienzahlung für reduzierten Wasserverbrauch hat zu den höchsten simulierten Gesamtdeckungsbeiträgen und gleichzeitigen reduzierten Umwelteinflüssen geführt. Die Simulation hat auch gezeigt, dass Anreize für die Produktion von Weizen geschaffen werden sollten, da Weizen ökonomisch die am wenigsten profitable Hauptfrucht ist aber eine wichtige Rolle für den Eigenverbrauch in der NCP spielt. Die Simulation hat auch gezeigt, dass Politikmaßnahmen welche auf höhere Marktpreise für die Hauptfrüchte zielen (in Verbindung mit optimierten Anbaumaßnahmen) zu erhöhten Gesamtdeckungsbeiträgen, verminderten Umweltauswirkungen sowie verbesserter Ressourcennutzungseffizienz führen können. Es sollte noch angemerkt werden, dass in den optimierten Ergebnissen keine Anbausysteme die momentan von den Haushalten angewendet werden integriert sind. Dies deutet darauf hin, dass die momentanen Anbaustrategien nicht effizient sind. Viele Studien sind der Auffassung, dass Wissenstransfersysteme und staatlich Beratungssysteme in der NCP unzulänglich sind. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Mehrheit der Haushalte keinen Kontakt zu Beratungsinstitutionen hatte und darüber hinaus die meisten Haushalte auch keinerlei landwirtschaftliche Ausbildung erhalten haben. Ein Wissenstransferprogramm kann daher ein effizientes Instrument darstellen, um die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft in der NCP zu reduzieren. Darüber hinaus müssen spezifische Empfehlungen und Systeme ? unter Berücksichtigung von Sozio-ökonomischen Ansätzen ? entwickelt werden, um den Wissenstransfer und die Dienste für die Landwirte in der NCP zu verbessern. Adäquate Entscheidungshilfesysteme für effiziente Landnutzung in der Forschungsregion müssen entwickelt werden. Diese Untersuchung hat gezeigt, dass zwar Gesetze und Regulierungen für die Umwelteinflüsse existieren, diese aber nicht verlässlich durchgesetzt werden. Viele Studien sehen den derzeitigen institutionellen Rahmen für das Wassermanagement als nicht adäquat an und sehen in ihm einen der Gründe für die Übernutzung der Wasserressourcen. Daher sollten die Verantwortlichkeiten klar aufgeteilt werden, um Anreize zum Wassersparen bieten zu können und um die Effizienz zu erhöhen. Darüber hinaus sind auch die Rechte der Landwirte hinsichtlich Wasser nicht sicher und transparent. Basierend auf wissenschaftlichen Einschätzungen für den Wasserverbrauch und das Wasservorkommen werden Pläne benötigt, um Wasserrechte eindeutig zu definieren und durchzusetzen. Neben definierten und durchgesetzten Wasserrechten könnten auch längerfristige, durchgesetzte und sichere Landrechte die Adoption von nachhaltigen Bewirtschaftungsmethoden erleichtern. Auch der institutionelle Aufbau verkompliziert die Durchführung von Politikmaßnahmen. Daher ist institutioneller Wandel mit koordinierten Anstrengungen notwendig. Dezentralisierte und regionalisierte Verwaltungen können die Effektivität von Politikmaßnahmen erhöhen. Zusätzlich muss der institutionelle Aufbau den spezifischen Gegebenheiten der NCP angepasst werden. Eines der Hauptprobleme bezüglich des Wassermanagements ist, dass Wasser eine größtenteils unkontrollierte Ressource in der NCP darstellt. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Düngeranwendung stark variiert; Über- und Unterdosierung treten in der Forschungsregion auf. Stark variierende und inadäquate Düngeranwendung gefährden die Nachhaltigkeit der landwirtschaftleichen Systeme in der NCP. Des Weiteren ist der Gehalt an organischer Substanz im Boden zu gering. Die Umfrage hat gezeigt, dass die Landwirte in der Forschungsregion nicht über die Qualität ihrer Böden informiert sind. Integriert in Wissenstransferprogramme, dass zur Verfügung stellen von Möglichkeiten für die Analyse von Böden könnte zu Düngeranwendungen führen, welche auf dem Nährstoffgehalt der Böden basieren und daher effizienter sind. Strukturelle Entwicklungsprojekte in den ländlichen Regionen Chinas müssen fortgeführt werden, um weitere starke Landflucht zu vermeiden ? speziell in der Forschungsregion. Die Lebensbedingungen in den ländlichen Gegenden, hinsichtlich Einkommen, Bildungs- und Gesundheitsdiensten, sind immer noch nicht vergleichbar mit den urbanen Gebieten. Die Chinesische Politik muss sich auf die Beendigung des weiteren Absinkens des Grundwasserniveaus konzentrieren. Des Weiteren müssen eine sparsamere Wassernutzung und ein Umweltbewusstsein für alle Beteiligten geschaffen werden, um zu verhindern, dass Verschmutzung, Ressourcenmangel und ?fehlgebrauch die landwirtschaftliche Produktion in der NCP weiter reduzieren. Die sozialen Kosten der weiteren Verringerung der landwirtschaftlichen Produktion in der NCP wären nicht tragbar

River Ecological Restoration and Groundwater Artificial Recharge

Three of the eleven papers focused on groundwater recharge and its impacts on the groundwater regime, in which recharge was caused by riverbed leakage from river ecological restoration (artificial water replenishment). The issues of the hydrogeological parameters involved (such as the influence radius) were also reconsidered. Six papers focused on the impact of river ecological replenishment and other human activities on river and watershed ecology, and on groundwater quality and use function. The issues of ecological security at the watershed scale and deterioration of groundwater quality were of particular concern. Two papers focused on water resources carrying capacity and water resources reallocation at the regional scale, in the context of the fact that ecological water demand has been a significant topic of concern. The use of unconventional water resources such as brackish water has been emphasized in the research in this issue

Evaluating and Developing Methods for Non-Destructive Monitoring of Biomass and Nitrogen in Wheat and Rice Using Hyperspectral Remote Sensing

Aboveground plant biomass and plant nitrogen are two important parameters for plant growth monitoring, which have a decisive influence on the final yield. Mismanagement of fertilizer or pesticide inputs leads to poor plant growth, environmental pollution, and accordingly, yield loss. Biomass development is driven by nutrient supply, temperature, and phenology. Crop biomass reaches its highest weight at the harvest time. In contrast, plant nitrogen is dependent from fertilizer inputs to the soil and from biomass. Destructive measurement of both parameters is time-consuming and labor-intensive. Remote sensing offers remotely non-direct observation methods from outer space, air space, or close-range in the field by sensors. This dissertation focuses on non-destructive monitoring of plant biomass (the primary parameter) and plant nitrogen (the secondary parameter) using hyperspectral data from non-imaging field spectrometers and the imaging EO-1 Hyperion satellite. The study was conducted on two field crops: winter wheat of two growing seasons of the Huimin test site in the North China Plain; and rice of three growing seasons of the Jiansanjiang test site in the Sanjiang Plain of China. Study fields were set up in different spatial scales, from small experimental scale to large farmers' scale. Extensive field measurements were carried out, including both destructive measuring and non-destructive hyperspectral remote sensing of biomass and plant nitrogen. Besides, two years' Hyperion images were acquired at the Huimin test site. Four different approaches were used to develop the estimation models, which include: vegetation indices (VIs), band combinations, Optimum Multiple Narrow Band Reflectance (OMNBR) and stepwise Multiple Linear Regression (MLR), and derivatives of reflectance. Based on these four approaches, models were constructed, compared, and improved step by step. Additionally, a multiscale approach and a new VI, named GnyLi, were developed. Since experimental and farmers' fields were differently managed, several calibration and validation methods were tested and the field datasets were pooled. All tested approaches and band selections were greatly influenced by single growth stages. The broad band VIs saturated for both crops at the booting stage at the latest and were greatly outperformed by the narrow band VIs with optimized band combinations. Model applications from experimental to farmers' scale using the narrow bands measured by field spectrometers mostly failed due to the effects of different management practices and crop cultivars at both spatial scales. In contrast, the multiscale approach was successfully applied in winter wheat monitoring to transfer data and knowledge from field spectrometer measurements from the experimental scale to the farmers' field scale and the scale that is covered by the Hyperion imagery. The GnyLi and the Normalized Ratio Index (NRI) based on the optimized band combinations performed the best in the up-scaling process in the winter wheat study. In the rice study, MLR or OMNBR models based on 4–6 narrow bands better explained biomass variability compared to VIs based on broad bands and optimized band combinations. The models were more robust when data from different scales were pooled and then randomly divided into calibration and validation datasets. Additional model improvements were obtained using derivatives of reflectance. This dissertation evaluates different hyperspectral remote sensing approaches for non-destructive biomass and plant nitrogen monitoring, with the main focus on biomass estimation. The results and comparisons of different approaches revealed their potentials and limits. Development of new VIs, such as GnyLi, is advantageous due to the saturation problem of broad band VIs. However, the developed VIs need to be tested and improved for different crops and sites. Detection of optimized band combinations facilitates the development of new VIs, which are site-specific and crop-specific. MLR-based models may better explain the biomass variability; nevertheless, with more bands, they are prone to the issues of over-fitting and collinearity. Hence, no more than six bands were recommended to select from the hyperspectral data. Derivatives of reflectance were beneficial at the early growing season of rice when the canopy was strongly influenced by background signals from soil and water. However, their benefits were reduced when more bands were used

Water-wise Rice Production

Rice is a profligate user of water. It takes 3,000–5,000 liters to produce 1 kilogram of rice, which is about 2 to 3 times more than to produce 1 kilogram of other cereals such as wheat or maize. Until recently, this amount of water has been taken for granted. Now, however, the water crisis threatens the sustainability of the irrigated rice ecosystem. In Asia, 17 million ha of irrigated rice areas may experience ‘physical water scarcity’ and 22 million ha ‘economic water scarcity’ by 2025. To safeguard food security and preserve precious water resources, ways must be explored to grow rice using less water. IRRI, together with Plant Research International of Wageningen University and Research Centre, organized a thematic workshop on Water-Wise Rice Production held 8-11 April 2002 at IRRI, Los Baños, Philippines. The objectives were to present and discuss the state-of-the-art in the development, dissemination, and adoption of water-saving technologies at spatial scales ranging from the field to irrigation system. This book contains the papers presented at the workshop