Grasping the complexity of intercropping - developing and testing an integrated decision support system for vegetable production in the North China Plain

This cumulative dissertation consists of six papers published, accepted or submitted to international high standard journals or books. To detect and describe the status quo of vegetable intercropping in the North China Plain (NCP), a survey was conducted from autumn 2007 to spring 2008. The results of the interviews with researchers, extensionists and farmers embedded in the first article revealed a huge variety of intercropping systems being practiced by farmers in the region. The first article furthermore elaborated farmers? underlying motives and concepts and described the knowledge transfer systems involved. When evaluating the prevailing systems against the background of the rapidly changing socio-economic frame conditions for farming in rural China, it became obvious that a great proportion of the systems practiced nowadays are prone to extinction in a long run. Therefore the second article discussed possible adjustments of the intercropping systems to fit the demands of modern agriculture, while maintaining their potential agronomic and environmental benefits. To enable mechanization, it was suggested to either adjust the machinery to the traditional row intercropping systems, or adjust the cropping system to the prevailing and available machinery. The latter approach was then followed throughout the thesis, using an agronomic modeling approach. The combination of Chinese cabbage and maize was selected, as it is a traditional intercropping system, with strong interspecific effects. In the course of this study, the two crops were strip intercropped in four field experiments at three sites in Germany and in China in 2008 and 2009. To understand, explain and predict plant behavior under the impact of complex cropping structures, crop growth models present a viable and powerful tool. However, two constrains had to be overcome within the framework of this thesis i) Chinese cabbage is not integrated in the common process-oriented crop growth models, ii) a method had to be developed to quantify resource competition and simulate intercropping. Therefore the integration of Chinese cabbage, the number one field vegetable of China, into the CROPGRO model constituted the first step for the simulation of intercropping systems in China. Two greenhouse experiments, testing crop growth and development under different temperature regimes, served as the data base for the accurate parameterization of Chinese cabbage and built the baseline for the third article. Cardinal temperatures of Chinese cabbage were identified by correlating mean relative growth rates and mean leaf appearance rates to temperature. Minimum growth temperature was identified at 0 °C, optimum temperature ranges between 14 °C and 24 °C, and maximum temperature is 34 °C. The further adjustment and testing of the model, which was executed on up to six independent data sets, is presented in the fourth article. The key to successfully simulate intercropping systems is the knowledge on changes in resource availability compared to monocropping. Therefore, a method was developed to quantify the availability of the most crucial growth factor solar radiation at any location within a Chinese cabbage strip, presented in the fifth article. The method was extended in the sixth and final article to enable the estimation of available radiation in Chinese cabbage strips of different widths. The ?environmental modifications? option of CROPGRO was employed to simulate the effects of the estimated reduction in incoming radiation in Chinese cabbage strips of different width. Simulations were conducted over up to thirty years of weather data of 12 locations throughout the NCP, and were additionally tested on different soil texture types. The results were extended over the entire NCP by linking them to a GIS-system. The developed approach constitutes a reliable decision support for the optimization of the spatial arrangements in Chinese cabbage strip intercropping systems, according to local soil and climate conditions. The described approach can be extended to develop a comprehensive decision support system that allows testing of various intercrop combinations under a wide range of climate and especially radiation environments. The presented thesis is a valuable contribution to the development of sustainable vegetable production systems in the NCP. A new method to quantify availability of solar radiation in strip intercropping was developed, which can be applied in various other intercropping systems. The integration of Chinese cabbage into CROPGRO, offers great opportunities not only for studying intercropping systems, but also for improving input levels and resource use efficiency in Chinese cabbage production in China and throughout the world. Understanding farmers? concepts and estimating the production potential of intercropped Chinese cabbage created additional value, which substantially contributes to realizing the potential of intercropping in the NCP.Die vorliegende Dissertation besteht aus sechs Publikationen, die in internationalen Fachzeitschriften oder Büchern veröffentlicht, akzeptiert oder eingereicht wurden. Um den Status Quo von Gemüsemischanbausystemen in der Nordchinesischen Tiefebene (NCT) zu beschreiben, wurde eine Erhebung in 2007 und 2008 durchgeführt. Die Ergebnisse der Befragungen von Agrarforschern, Agrarberatern und Bauern, die in der ersten Publikation dargelegt sind, zeigten die Fülle der praktizierten Mischanbausysteme in der Region auf. Des Weiteren werden die zugrunde liegenden Motive und Konzepte der Bauern dargelegt und die existierenden Wissenstransfersysteme beschrieben. Wenn man die vorherrschenden Mischanbausysteme vor dem Hintergrund der sich rapide verändernden sozioökonomischen Rahmenbedingungen der Landwirtschaft im ländlichen China betrachtet, muss man erkennen, dass ein Grossteil der heute praktizierten Systeme auf Lange Sicht zum Aussterben verdammt ist. Daher wurden in der zweiten Publikation die Möglichkeiten der Adaptierung der Mischanbausysteme an die Bedürfnisse der modernen Landwirtschaft unter gleichzeitiger Beibehaltung der agronomischen und umweltschutztechnischen Vorteile der Systeme diskutiert. Um die Mechanisierung zu ermöglichen, wurde empfohlen entweder die Landmaschinen and die traditionellen Reihenmischanbausysteme anzupassen, oder die Anbausysteme an die vorhandenen und vorherrschenden Landmaschinen anzupassen. Der letztgenannte Ansatz wurde im weiteren Verlauf der Dissertation durch einen agronomischen Modelansatz verfolgt. Die Kombination von Chinakohl und Mais wurde ausgewählt, da sie einem traditionellen Mischanbausystem mit starken interspezifischen Effekten entspricht. Um das Verhalten von Pflanzen unter dem Einfluss komplexer Anbausysteme zu verstehen, zu erklären und vorhersagen zu können, stellen Pflanzenwachstumsmodelle praktikable und wertvolle Hilfsmittel dar. Hierfür mussten im Rahmen der Dissertation jedoch zwei grundsätzliche Probleme gelöst werden i) Chinakohl ist nicht in den verbreiteten prozessorientierten Pflanzenwachstumsmodellen vertreten, ii) eine Methode musste entwickelt werden, um die Konkurrenz um Wachstumsfaktoren zu beschreiben und den Mischanbau zu simulieren. Somit war der Integrierung von Chinakohl, dem Nummer eins Gemüse in China, in das CROPGRO-model der erste Schritt auf dem Weg Mischanbausysteme in China zu simulieren. Zwei Gewächshausexperimente, bei denen Wachstum und Entwicklung unter unterschiedlichen Temperaturregimen getestet wurde, dienten als Datengrundlage für die präzise Parametrisierung von Chinakohl und bildeten die Grundlage für die dritte Publikation. Die minimale Wachstumstemperatur wurde bei 0 °C identifiziert, die optimale Temperaturspanne reichte von 14 °C bis 24 °C, und die Maximaltemperatur lag bei 34 °C. Die weitere Adjustierung und das Testen des Models wurde an bis zu sechs unabhängigen Datensätzen durchgeführt und wurde in der vierten Publikation veröffentlicht. Der Schlüssel zu einer zuverlässigen Simulation von Mischanbausystemen ist das Wissen über die veränderten Ressourcenverfügbarkeiten im Vergleich zur Reinkultur. Daher wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglicht die Verfügbarkeit des wichtigsten Wachstumsfaktors Sonneneinstrahlung, an jedem Ort innerhalb eines Chinakohlstreifens zu quantifizieren, veröffentlicht in der fünften Publikation. Die Methode wurde in der sechsten und letzten Publikation dahingegen ausgeweitet, die verfügbare Einstrahlung in Chinakohlstreifen unterschiedlicher Breite abschätzen zu können. Die ?environmental modifications? Option in CROPGRO wurde dann genutzt, um die Effekte der reduzierten Einstrahlung in Chinakohlstreifen unterschiedlicher Breite zu simulieren. Die Simulationen wurden auf bis zu 30 jährigen Wetterdaten von 12 Orten über die gesamte NCT durchgeführt, und zusätzlich auf fünf verschiedenen Bodentexturklassen getestet. Die Ergebnisse wurden auf die gesamte NCT ausgeweitet, indem sie mit einem geographischen Informationssystem (GIS) verknüpft wurden. Die vorliegende Arbeit liefert einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Gemüseanbausysteme in der NCT. Eine neue Methode zur Quantifizierung der verfügbaren Sonneneinstrahlung in Streifenmischanbausystemen wurde entwickelt, die auf verschiedenste andere Mischanbausysteme übertragen werden kann. Die Integrierung von Chinakohl in CROPGRO, bietet nicht nur großartige Möglichkeiten zur Optimierung von Mischanbausystemen, sondern kann genauso zur Verbesserung der Ressourcennutzung und Optimierung von Düngung und Bewässerung im Chinakohlanbau in China und weltweit genutzt werden. Das Verständnis der Konzepte der Landwirte und die Bestimmung des Produktionspotentials von Chinakohl im Mischanbau schufen einen zusätzlichen Wert, der entscheidend zur Ausschöpfung des Potentials von Mischanbau in der NCT beitragen kann

Grasping the complexity of intercropping - developing and testing an integrated decision support system for vegetable production in the North China Plain

This cumulative dissertation consists of six papers published, accepted or submitted to international high standard journals or books. To detect and describe the status quo of vegetable intercropping in the North China Plain (NCP), a survey was conducted from autumn 2007 to spring 2008. The results of the interviews with researchers, extensionists and farmers embedded in the first article revealed a huge variety of intercropping systems being practiced by farmers in the region. The first article furthermore elaborated farmers? underlying motives and concepts and described the knowledge transfer systems involved. When evaluating the prevailing systems against the background of the rapidly changing socio-economic frame conditions for farming in rural China, it became obvious that a great proportion of the systems practiced nowadays are prone to extinction in a long run. Therefore the second article discussed possible adjustments of the intercropping systems to fit the demands of modern agriculture, while maintaining their potential agronomic and environmental benefits. To enable mechanization, it was suggested to either adjust the machinery to the traditional row intercropping systems, or adjust the cropping system to the prevailing and available machinery. The latter approach was then followed throughout the thesis, using an agronomic modeling approach. The combination of Chinese cabbage and maize was selected, as it is a traditional intercropping system, with strong interspecific effects. In the course of this study, the two crops were strip intercropped in four field experiments at three sites in Germany and in China in 2008 and 2009. To understand, explain and predict plant behavior under the impact of complex cropping structures, crop growth models present a viable and powerful tool. However, two constrains had to be overcome within the framework of this thesis i) Chinese cabbage is not integrated in the common process-oriented crop growth models, ii) a method had to be developed to quantify resource competition and simulate intercropping. Therefore the integration of Chinese cabbage, the number one field vegetable of China, into the CROPGRO model constituted the first step for the simulation of intercropping systems in China. Two greenhouse experiments, testing crop growth and development under different temperature regimes, served as the data base for the accurate parameterization of Chinese cabbage and built the baseline for the third article. Cardinal temperatures of Chinese cabbage were identified by correlating mean relative growth rates and mean leaf appearance rates to temperature. Minimum growth temperature was identified at 0 °C, optimum temperature ranges between 14 °C and 24 °C, and maximum temperature is 34 °C. The further adjustment and testing of the model, which was executed on up to six independent data sets, is presented in the fourth article. The key to successfully simulate intercropping systems is the knowledge on changes in resource availability compared to monocropping. Therefore, a method was developed to quantify the availability of the most crucial growth factor solar radiation at any location within a Chinese cabbage strip, presented in the fifth article. The method was extended in the sixth and final article to enable the estimation of available radiation in Chinese cabbage strips of different widths. The ?environmental modifications? option of CROPGRO was employed to simulate the effects of the estimated reduction in incoming radiation in Chinese cabbage strips of different width. Simulations were conducted over up to thirty years of weather data of 12 locations throughout the NCP, and were additionally tested on different soil texture types. The results were extended over the entire NCP by linking them to a GIS-system. The developed approach constitutes a reliable decision support for the optimization of the spatial arrangements in Chinese cabbage strip intercropping systems, according to local soil and climate conditions. The described approach can be extended to develop a comprehensive decision support system that allows testing of various intercrop combinations under a wide range of climate and especially radiation environments. The presented thesis is a valuable contribution to the development of sustainable vegetable production systems in the NCP. A new method to quantify availability of solar radiation in strip intercropping was developed, which can be applied in various other intercropping systems. The integration of Chinese cabbage into CROPGRO, offers great opportunities not only for studying intercropping systems, but also for improving input levels and resource use efficiency in Chinese cabbage production in China and throughout the world. Understanding farmers? concepts and estimating the production potential of intercropped Chinese cabbage created additional value, which substantially contributes to realizing the potential of intercropping in the NCP.Die vorliegende Dissertation besteht aus sechs Publikationen, die in internationalen Fachzeitschriften oder Büchern veröffentlicht, akzeptiert oder eingereicht wurden. Um den Status Quo von Gemüsemischanbausystemen in der Nordchinesischen Tiefebene (NCT) zu beschreiben, wurde eine Erhebung in 2007 und 2008 durchgeführt. Die Ergebnisse der Befragungen von Agrarforschern, Agrarberatern und Bauern, die in der ersten Publikation dargelegt sind, zeigten die Fülle der praktizierten Mischanbausysteme in der Region auf. Des Weiteren werden die zugrunde liegenden Motive und Konzepte der Bauern dargelegt und die existierenden Wissenstransfersysteme beschrieben. Wenn man die vorherrschenden Mischanbausysteme vor dem Hintergrund der sich rapide verändernden sozioökonomischen Rahmenbedingungen der Landwirtschaft im ländlichen China betrachtet, muss man erkennen, dass ein Grossteil der heute praktizierten Systeme auf Lange Sicht zum Aussterben verdammt ist. Daher wurden in der zweiten Publikation die Möglichkeiten der Adaptierung der Mischanbausysteme an die Bedürfnisse der modernen Landwirtschaft unter gleichzeitiger Beibehaltung der agronomischen und umweltschutztechnischen Vorteile der Systeme diskutiert. Um die Mechanisierung zu ermöglichen, wurde empfohlen entweder die Landmaschinen and die traditionellen Reihenmischanbausysteme anzupassen, oder die Anbausysteme an die vorhandenen und vorherrschenden Landmaschinen anzupassen. Der letztgenannte Ansatz wurde im weiteren Verlauf der Dissertation durch einen agronomischen Modelansatz verfolgt. Die Kombination von Chinakohl und Mais wurde ausgewählt, da sie einem traditionellen Mischanbausystem mit starken interspezifischen Effekten entspricht. Um das Verhalten von Pflanzen unter dem Einfluss komplexer Anbausysteme zu verstehen, zu erklären und vorhersagen zu können, stellen Pflanzenwachstumsmodelle praktikable und wertvolle Hilfsmittel dar. Hierfür mussten im Rahmen der Dissertation jedoch zwei grundsätzliche Probleme gelöst werden i) Chinakohl ist nicht in den verbreiteten prozessorientierten Pflanzenwachstumsmodellen vertreten, ii) eine Methode musste entwickelt werden, um die Konkurrenz um Wachstumsfaktoren zu beschreiben und den Mischanbau zu simulieren. Somit war der Integrierung von Chinakohl, dem Nummer eins Gemüse in China, in das CROPGRO-model der erste Schritt auf dem Weg Mischanbausysteme in China zu simulieren. Zwei Gewächshausexperimente, bei denen Wachstum und Entwicklung unter unterschiedlichen Temperaturregimen getestet wurde, dienten als Datengrundlage für die präzise Parametrisierung von Chinakohl und bildeten die Grundlage für die dritte Publikation. Die minimale Wachstumstemperatur wurde bei 0 °C identifiziert, die optimale Temperaturspanne reichte von 14 °C bis 24 °C, und die Maximaltemperatur lag bei 34 °C. Die weitere Adjustierung und das Testen des Models wurde an bis zu sechs unabhängigen Datensätzen durchgeführt und wurde in der vierten Publikation veröffentlicht. Der Schlüssel zu einer zuverlässigen Simulation von Mischanbausystemen ist das Wissen über die veränderten Ressourcenverfügbarkeiten im Vergleich zur Reinkultur. Daher wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglicht die Verfügbarkeit des wichtigsten Wachstumsfaktors Sonneneinstrahlung, an jedem Ort innerhalb eines Chinakohlstreifens zu quantifizieren, veröffentlicht in der fünften Publikation. Die Methode wurde in der sechsten und letzten Publikation dahingegen ausgeweitet, die verfügbare Einstrahlung in Chinakohlstreifen unterschiedlicher Breite abschätzen zu können. Die ?environmental modifications? Option in CROPGRO wurde dann genutzt, um die Effekte der reduzierten Einstrahlung in Chinakohlstreifen unterschiedlicher Breite zu simulieren. Die Simulationen wurden auf bis zu 30 jährigen Wetterdaten von 12 Orten über die gesamte NCT durchgeführt, und zusätzlich auf fünf verschiedenen Bodentexturklassen getestet. Die Ergebnisse wurden auf die gesamte NCT ausgeweitet, indem sie mit einem geographischen Informationssystem (GIS) verknüpft wurden. Die vorliegende Arbeit liefert einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Gemüseanbausysteme in der NCT. Eine neue Methode zur Quantifizierung der verfügbaren Sonneneinstrahlung in Streifenmischanbausystemen wurde entwickelt, die auf verschiedenste andere Mischanbausysteme übertragen werden kann. Die Integrierung von Chinakohl in CROPGRO, bietet nicht nur großartige Möglichkeiten zur Optimierung von Mischanbausystemen, sondern kann genauso zur Verbesserung der Ressourcennutzung und Optimierung von Düngung und Bewässerung im Chinakohlanbau in China und weltweit genutzt werden. Das Verständnis der Konzepte der Landwirte und die Bestimmung des Produktionspotentials von Chinakohl im Mischanbau schufen einen zusätzlichen Wert, der entscheidend zur Ausschöpfung des Potentials von Mischanbau in der NCT beitragen kann

Assessing the Impact of Air Pollution on Grain Yield of Winter Wheat - A Case Study in the North China Plain

The major wheat production region of China the North China Plain (NCP) is seriously affected by air pollution. In this study, yield of winter wheat (Triticum aestivum L.) was analyzed with respect to the potential impact of air pollution index under conditions of optimal crop management in the NCP from 2001 to 2012. Results showed that air pollution was especially serious at the early phase of winter wheat growth significantly influencing various weather factors. However, no significant correlations were found between final grain yield and the weather factors during the early growth phase. In contrast, significant correlations were found between grain yield and total solar radiation gap, sunshine hour gap, diurnal temperature range and relative humidity during the late growing phase. To disentangle the confounding effects of various weather factors, and test the isolated effect of air pollution induced changes in incoming global solar radiation on yield under ceteris paribus conditions, crop model based scenario-analysis was conducted. The simulation results of the calibrated Agricultural Production Systems Simulator (APSIM) model indicated that a reduction in radiation by 10% might cause a yield reduction by more than 10%. Increasing incident radiation by 10% would lead to yield increases of (only) 7%, with the effects being much stronger during the late growing phase compared to the early growing phase. However, there is evidence that APSIM overestimates the effect of air pollution induced changes on radiation, as it does not consider the changes in radiative properties of solar insulation, i.e. the relative increase of diffuse over direct radiation, which may partly alleviate the negative effects of reduced total radiation by air pollution. Concluding, the present study could not detect a significantly negative effect of air pollution on wheat yields in the NCP

Optimized seed patterns in cereals

Ein optimiertes Aussaatmuster mit gleichmäßigen Abständen zwischen den Pflanzen erhöht den nutzbaren Stand­raum je Einzelpflanze und reduziert intraspezifische Konkurrenzeffekte. Neben höheren und stabileren Erträgen sind auch Vorteile hinsichtlich Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz und Unkrautunterdrückungsvermögen zu erwarten. Aktuell wird Getreide vorwiegend in Drillsaat ausgebracht, was nicht dem pflanzenbaulichen Optimum entspricht, jedoch eine hohe Flächenleistung ermöglicht. Alternativ ist für die Getreideaussaat reihenabhängige Einzelkornsätechnik verfügbar, welche bereits deutliche Vorteile hinsichtlich eines gleichmäßigeren Saatbilds zeigt. Den gleichmäßigsten Standraum je Einzelpflanze erreicht man mit einer Gleichstandsaat im Dreieckverband, welche bei Getreide technisch noch nicht realisierbar ist. Um die erwarteten Vorteile der Gleichstandsaat bei Getreide zu überprüfen, werden am Julius Kühn-Institut Versuche zur Gleichstandsaat bei Winterweizen durchgeführt, um Fragestellungen hinsichtlich Ertrag, Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz etc. zu beantworten. Parallel dazu sind die Anpassung einer Einzelkornsämaschine sowie die Entwicklung eines mobilen autonomen Systems geplant, die eine Aussaat im Dreieckverband ermöglichen.An optimized seed pattern with even distances increases the utilizable space of individual plants and reduces intraspecific competition. In addition to higher and more stable yields, benefits in terms of resource use efficiency, stress tolerance and weed suppression are expected. Currently, cereals are mainly sown in rows, which does not corres­pond to the crops’ optimum, but allows a fast sowing. Alternatively, precision seeding is available for cereals, which already allows a more uniform seed pattern. The most even spacing per single plant can be achieved with a uniform seed pattern in a triangular lattice, which is technically not yet feasible in cereals. In order to test the expected benefits of a uniform seed pattern in cereals, field trials are conducted at the JKI with winter wheat to answer questions regarding yield, resource use efficiency and stress tolerance. At the same time, the adaptation of a precision seeding and the development of an autonomous sowing system are planned in order to enable a uniform seed pattern

20 years of long-term field trials at the JKI research field in Dahnsdorf

DOI: 10.5073/JfK.2015.12.01, https://doi.org/10.5073/JfK.2015.12.01DOI: 10.5073/JfK.2015.12.01, https://doi.org/10.5073/JfK.2015.12.0