Iden%fying  op%mized  use  of  fresh  and  saline  water  for  irriga%on  on  salt  affected  rice  systems  in  Bangladesh  using  ORYZA  ver.3  

Radanielson  A.M.  ,  O.  Angeles,  T.Li,  A.K.  Rahman,  D.  Gaydon.  

Revitalizing  the  Ganges  coastal  zones  conference  Dhaka  Oct  21-­‐23,  2014  

Outline  

1.  Ra>onale  and  objec>ves  2.  Methodology    3.  Results  4.  Summary  and  perspec>ves  

Rice  produc%on  challenges  in  Bangladesh  

•  Rice  demand  brought  by  increasing  popula>on:    –   By  2030,  40.0  M  tons    of  rice  for  about  190  M  popula>on  

•  Limited  resources  :    land,  water,  labour  •  Environmental  constraints  aggravated  by  climate  change    – Soil  salinity  – Sea  level  rise  – Extreme  weather  events  

Farmers livelihood

Opportuni%es  to  improve  rice  produc%on  in  salt-­‐affected  areas  

•  Over  30%  of  cropped  land  is  saline  

•  Saline-­‐tolerant  rice  varie>es  are  available  

•  Need  a  suitable  management  for  produc>ve  and  sustainable  cropping  systems  

Objec%ves  

1.  Evaluate  irriga>on  water  management  op>ons  to  reduce  salinity-­‐stress  on  rice  produc>on  –  Calibra>on  and  valida>on  of  a  modified  version  of  the  rice  model  ORYZA  ver.3  

–  Scenario  analyses  to  evaluate  performance  of  management  strategies  using  different  sowing  dates,  adapted  virtual  varie>es  and  the  mixing  fresh-­‐saline  water  as  an  irriga>on  approach  targeted  to  op>mize  yield  and  water  produc>vity  

2.  Iden>fy  poten>al  adapta>ve  strategies  for  salt-­‐affected  rice  systems  

Input:    Weather    Soil      Crop  management    Cul>var  parameters  

Output:    Crop  phenology    LA  index    Crop  N  status    Biomass  produc>on    Crop  Yield  

Phenology    Assimila%on  Biomass  produc%on    

                     Biomass  par%%oning      Water  balance            N  balance  

Dynamics  of  salinity  in  soil  

The  model  ORYZA  and  its  improvement  

Iden>fica>on  of  suitable  irriga>on  strategy  to  manage  saline  and  fresh  water  availability  for  increasing  salt  affected  areas  produc>vity  

Site:  Satkhira  BARI  experiment  sta>on    Variety:  BR47    

Boro  Rice:  2013  and  2014    

Irriga>on  water:        1.  Freshwater        2.  Mixture  1:1  ra>o  of    fresh  and  saline  

water  (AFS1:1)        3.  Mixture  of  2:1  of    fresh  and  saline  

water  (AFS2:1)        4.  Saline  water  

Experiments  for  model  calibra%on  and  valida%on  

Satkhira  2013   Satkhira    2014  

Variability  of  soil  salinity  with  irriga%on  water  

•  Salinity  range:  1-­‐  16  dS  m-­‐1  

•  Con>nuous  increase  of  soil  salinity  over  the  crop  growth  

0

4

8

12

16

0 50 100 150

Soil  salin

ity  at  1

5  cm

 dep

th(dS  m

-­‐1)

Days  after  sowing

2:1  ratio

1:1  ratio

Saline  water

Fresh  water0

4

8

12

16

0 50 100 150

Soil  salin

ity  at  1

5  cm

 dep

th(dS  m

-­‐1)

Days  after  sowing

Iden>fica>on  of  suitable  irriga>on  strategy  to  manage  saline  and  fresh  water  availability  for  increasing  salt  affected  areas  produc>vity  

Site:  Infanta  Laguna  (Farmer’s  field)  Variety:  BR47  Dry  season:  2013  and  2014  Irriga>on  water:        1.  Freshwater        2.  Alternate  fresh  and  saline  water  (AFS1)        3.  Alternate  fresh  and  saline  water  (AFS2)        4.  Saline  water  

Experiments  for  model  calibra%on  and  valida%on  

Variability  of  soil  salinity  with  irriga%on  water  

Infanta  2013   Infanta  2014  

•  Salinity  range:  1-­‐  15  dS  m-­‐1  

•  The  soil  salinity  of  alternate  fresh-­‐saline  water  irriga>on  with  2-­‐week  interval  was  not  significantly  different  from  fresh  water  irrigated  treatment.  

0

5

10

15

50 80 110 140

Soil  salin

ity  at  1

5  cm

 dep

th  

(dS  m

-­‐1)

Days  after  sowing

0

5

10

15

30 60 90 120

Soil  salinity

 at  1

5  cm

 dep

th  

(dS  m

-­‐1)

Days  after  sowing

Fresh  Water

Saline  Water

AFS2

AFS1

Oryza  ver.3’s  ability  to  simulate  BRRI  Dhan  47  performance  

Yield  7.5t/ha  RMSEn:  20.19  

Yield  5-­‐6t/ha  RMSEn  :  13.10  

0

3000

6000

9000

12000

15000

0 30 60 90 120 150

Dry  biom

ass  (kg/ha

)

Day  after  sowing

0

3000

6000

9000

12000

15000

0 50 100 150

Dry  biom

ass  (kg/ha

)

Day  after  sowing

0

3000

6000

9000

12000

15000

0 50 100 150

Dry  biom

ass  (kg/ha

)

Day  after  sowing

0

3000

6000

9000

12000

15000

0 50 100 150

Dry  biom

ass  (kg/ha

)

Day  after  sowing

Simulated  above  ground  biomass Observed  above  gorund  biomass

Simulated  yield Observed  grain  yield

Model  ability  in  salinity  effects  simula%on  on  BR47  yield  under  Satkhira  condi%ons  

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

Sim

ulat

ed (t

/ha)

Measured (t/ha)

Rice Yields

Y  =  0.77  x  +  220.4  r2  0.61  P(t)  0.18  EF  0.97  RMSE  344  RMSE  n        9.8%  n  =  63  

A  model  reproduces  experimental  data  best  when  α  is  1,  β  is  0,  R2  is  1,  P(t)  is  larger  than  0.05  (indica>ng  observed  and  simulated  data  are  the  same  at  the  95%  confidence  level),  and  the  RMSE  is  similar  to  standard  devia>on  of  experimental  measurements.  

 Scenario  simula%ons  

Factors:    

•  Satkhira  weather  data  over  15  years:  2000  -­‐2014  •  Virtual  varie>es:  BR47  with  long,  medium,  and  short  crop  dura>on  

•  Sowing  dates:  weekly  from  Dec  1  to  Feb  10  •  Irriga>on  water  management  

–  Fresh  water  –  Saline  water  –  1:  1  ra>o  fresh  to  saline  water  –  2:  1  ra>o  fresh  to  saline  water  

Variability  of  yields    and  water  produc%vity  among  varie%es  

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Tran

spire

d  water  produ

ctivity

 (m

m/kg)

Variety  X  water  irrigation  management

0

1000

2000

3000

4000

5000

Grain  yield  (t/ha)

Varieties  X  Irrigation  water  management

•  Higher  yield  was  observed  for  long  dura>on  variety  •  Higher  water  produc>vity  was  observed  for  medium    dura>on  variety  

•  Op>mized  produc>vity  for  medium    variety  under  mixture  2  :1  ra>o  

         SW    FW  2W  1W  SHORT                          

SW    FW  2W  1W  LONG                          

SW    FW  2W  1W  MEDIUM  

                       

         SW    FW  2W  1W  SHORT                          

SW    FW  2W  1W  LONG                          

SW    FW  2W  1W  MEDIUM  

                       

Trends  of  yield  and  water  produc%vity  over  sowing  dates  

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

5 12 19 26 33 40 336 343 350 357 364

Tran

spire

d  water  produ

ctivity

 (mm/kg)

Date  of  sowing  (Julian  day)

2000

2100

2200

2300

2400

2500

5 12 19 26 33 40 336 343 350 357 364

Grain  yield    (kg/ha)

Date  of  sowing  (Julian  day)

•  Windows  of  cropping  calendar  tested  was  op>mized  for  a  yield  mean  

•  Efficient  water  use  and  higher  yield  were  observed  for  third  week  of  December  and  second  week  of  January  

Summary  and  perspec%ves  •  ORYZA  ver.3  has  good  ability  to  simulate  rice  produc>on  under  saline  

condi>ons  •  The  model  is  now  calibrated  with  BRRI  Dhan  47  •  Alterna>ng  saline  water  with  freshwater  in  2-­‐week  interval  or  mixing  2  

parts  of  freshwater  with  1  part  of  saline  water  are  poten>al  irriga>on  approaches  in  rice  cul>va>on  along  saline  areas  where  freshwater  is  limited  

•  Op>mized  water  produc>vity  and  higher  yield  were  enhanced  using  medium  and  long  dura>on  varie>es  established  at  around  3rd  week  of  December  (357)  and  1st  week  of  January  (12)  under  Satkhira,  Bangladesh  condi>ons  

•  Matching  the  assessment  with  current  farmers’  prac>ces  will  generate  useful  informa>on  on  prac>cal  strategies  for  op>miza>on  

•  Mapping  of  sites  with  available  and  limited  freshwater  source  will  be  useful  in  es>ma>ng  yield  poten>al  and  targe>ng  appropriate  technologies  

THANK  YOU    

Variability  of  simulated  yields  

Factors Df SS MS F value Pr(>F)

Year 13 1874169209 144166862 115.6612 <2e-16 *** Date of sowing 10 8257068 825707 0.6624 0.7603

Treatment 3 2697853515 899284505 721.472 <2e-16 *** Variety 2 947924737 473962368 380.2474 <2e-16 ***

Error 5297 6602487508 1246458

0

5

10

15

20

25

01-­‐Jan-­‐13 11-­‐Apr-­‐13 20-­‐Jul-­‐13 28-­‐Oct-­‐13 05-­‐Feb-­‐14 16-­‐May-­‐14

Underground  water

River  water

Ponded  water

Soil  at  15  cm  depth

Salinity  build-­‐up  in  Satkhira  site