Feasibility of organic rice cultivation in the Ebro Delta

Abstract

[eng] In the Mediterranean basins, rice is mainly cultivated in wetland protracted areas such as deltas and marshlands, where it is the prevailing crop due to the high soil salinity. This salinity is continuously increasing for reasons such as the soil subsidence, the rising sea level, the reduction in yearly precipitations and the increase of temperatures, which are intensified due to the effects of climate change. Rice is one of the most salt sensitive crops (Horie et al. 2012; Munns and Tester 2008). Spain is the second European country in terms of rice production (30%) just after Italy (FAOSTAT 2023). Andalucia represents the main Spanish rice production área (38,997 ha, 336,154 t, 8,620 kg/ha), followed by Extremadura (19,038 ha, 155,559 t, 8,171 kg/ha), Catalonia (20,769 ha, 151,157 t, 7,278 kg/ha), Valencia (15,769 ha, 118,425 t, 7,510 kg/ha), Aragón (6,083 ha, 32,969 t, 5,420 kg/ha), Navarra (3,382 ha, 18,902 t, 5,589 kg/ha), Murcia (96 ha, not available) and Baleares (61 ha, 317 t, 5,200 kg/ha) (MAPA 2020). In Spain, the main yield-limiting factors in organic rice production is weed control (Delmotte et al. 2011a; Reddy et al. 2023), blast rice control (Agbowuro et al. 2020a; Hoosain et al. 2013) and organic fertilization (Maimunah et al. 2021). Weed control is one of the major challenges for sustainable rice cultivation (Farooq et al. 2023; Liu et al. 2023; Rajkhowa et al. 2023). Weeds proliferate in cultivated paddy fields, this happens because they are created by converting drylands to artificially flooded wetlands, which therefore lack native flora adapted to flooding (Osuna et al., 2012). With Echinochloa spp., Leptochloa spp., Oryza sativa f. spontanea (red rice), Cyperus spp., Heteranthera spp. and Alisma plantago-aquatica are the main weeds in Spanish paddy fields (Osuna et al. 2012). Culture rotations would help reducing weed problems in organic rice cultivation, although not successfully achieved in salinized paddy fields. Rice blast disease (Magnaporthe grisea (Herbert) Barr, anamorph Pyricularia grisea Sacc., synonym P. oryzae Carava) represents one of the worst rice diseases (Ebbole 2007; Nalley et al. 2016; Sakulkoo et al. 2018; Tan et al. 2023b). Introducing management strategies using synthetic fungicides has proven to be ineffective under field conditions for long-term blast control (Deng and Naqvi 2019). Sulphur is a common and highly effective fungicide that has been in use in one form or another for a long time (Khandagave 2023). Silica is known as an essential element for rice plants and is effective in controlling rice blast (Nakashima et al. 2001). Nitrogen is an important factor that affects soil ecology and limits the availability of nitrogenous organic matter in agroecological systems (Hu et al. 2023). Optimized N fertilizer management achieved delayed senescence, higher canopy photo assimilation, higher N fertilizer use efficiency, and less N loss (Ma et al. 2023). The main objective of this Thesis is to study the feasibility of organic rice cultivation in the Ebro Delta. The specific objectives are to investigate which non-chemical strategies can be used to reduce the number of weeds in paddy fields (chapter I), to assess the effectiveness of Sulphur or Silicon-based fungicides in controlling blast disease in different rice cultivars in Ebro Delta conditions (chapter II), and to evaluate the efficiency of organic fertilizers for organic rice production systems (chapter III): Chapter I, reports some of the non-chemical weed control methods which can reduce weed pressure to levels similar to chemical herbicide treatments. Simple dry seeding was the best treatment for dry seeding, while stale seed bed and best performing planting conditions was the underwater seeding. Our findings demonstrated that dry seeding favoured grasses weeds such as E. crus-galli, E. oryzoides, while discouraging sedges and aquatic weeds. On the On the contrary, in water-seeding treatments, sedges and aquatic weeds (S. maritimus, C. difformis and H. reniformis) are favoured and grasses are still a problem in the paddy fields. Chapter II reports the effect of non-chemical fungicide treatments on different rice cultivars. The most blast-sensitive cultivar is Bomba. Rice cultivars with low blast sensitivity does not require the application of fungicides as varietal tolerance is enough. On the On the contrary, Sulphur treatments are effective in medium blast sensitivity varieties such as Argila, Guara or J. Sendra. We conclude that Sulphur (Thiopron, 82.5 % a.i. L-1, SC, UPL Iberica) at a 7.5 l·ha-1 dose has potential to help organic farmers control rice blast. In Chapter III, the chemical fertilizer showed the best results on grain yield and tillering, followed by the organic fertilizer named OPF. An organic fertilizer (OPF) has been tested for organic rice cultivation resulting only in a 17% yield reduction in front of chemical fertilization. This fertilizer formulation is granulated and adapts to the farmers equipment. In conclusion, in this thesis we have demonstrated, for the first time, the feasibility of organic rice cultivation and added knowledge to weed management, fungus diseases and organic fertilization. The outcome of these study is important since it will contribute efficiently to organic rice cultivation in Ebro Delta.

[cat] En l’àrea mediterrània, l’arròs és principalment cultivat en zones humides protegides com deltes i aiguamolls, on és el cultiu predominant degut a l’elevada salinitat del sòl. L‘arròs és un dels cultius més sensible a la salinitat (Horie et al. 2012; Munns and Tester 2008). La salinitat del sòl, continua augmentant per moltes raons; la subsidència de la plataforma deltaica, l’augment del nivell del mar, la reducció anual de les precipitacions i l’augment mitjà de les temperatures, que es veuen intensificats per l’efecte del canvi climàtic. Espanya és el segon país europeu pel que fa a la producció d’arròs (30%), només darrera d’Itàlia (FAOSTAT 2023). Andalusia representa la principal zona productora (38,997 ha, 336,154 t, 8,620 kg/ha), seguida d’Extremadura (19,038 ha, 155,559 t, 8,171 kg/ha), Catalunya (20,769 ha, 151,157 t, 7,278 kg/ha), València (15,769 ha, 118,425 t, 7,510 kg/ha), Aragó (6,083 ha, 32,969 t, 5,420 kg/ha), Navarra (3,382 ha, 18,902 t, 5,589 kg/ha), Múrcia (96 ha, no disponible) i Balears (61 ha, 317 t, 5,200 kg/ha) (MAPA 2020). Els principals problemes que limiten la producció orgànica d’arròs són les adventícies (Delmotte et al. 2011a; Reddy et al. 2023), les malalties fúngiques (Agbowuro et al. 2020a; Hoosain et al. 2013) i la fertilització orgànica (Maimunah et al. 2021). Les adventícies és un dels majors reptes de la producció sostenible d’arròs (Farooq et al. 2023; Liu et al. 2023; Rajkhowa et al. 2023). Les adventícies proliferen als arrossars conreats perquè aquests es creen normalment convertint les terres seques, en aiguamolls inundats artificialment, i no tenen flora autòctona adaptada a les inundacions (Osuna et al., 2012). Les principals adventícies als arrossars espanyols són: Echinochloa spp., Leptochloa spp., Oryza sativa f. spontanea (red rice), Cyperus spp., Heteranthera spp. i Alisma plantago-aquatica (Osuna et al. 2012). Les rotacions de cultius ajudarien a reduir les adventícies al cultiu ecològic de l’arròs, tot i que no s’ha aconseguit una rotació de cultius exitosa als camps salinitzats. La Piriculariosis (Magnaporthe grisea (Herbert) Barr, anamorph Pyricularia grisea Sacc., synonym P. oryzae Carava) representa la pitjor malaltia que afecta a l’arròs a nivell mundial (Ebbole 2007; Nalley et al. 2016; Sakulkoo et al. 2018; Tan et al. 2023b). A demés, la gestió amb fungicides químics ha demostrat ser una estratègia ineficaç pel control de la malaltia a llarg termini en condicions de camp (Deng and Naqvi 2019). El sofre és un fungicida comú i mostra eficàcia durant molt de temps (Khandagave 2023). El silici és conegut com un element essencial de les plantes d’arròs i alhora, és efectiu pel control de la malaltia de la piriculariosis (Nakashima et al. 2001). El nitrogen és un factor important que afecta l’ecologia del sòl i limita la disponibilitat de matèria orgànica en els sistemes agroecològics (Hu et al. 2023). La gestió optimitzada dels fertilitzants nitrogenats retarda la senescència, millora l’assimilació i eficiència de l’ús del nitrogen, així com una menor pèrdua (Ma et al. 2023). L’objectiu principal d’aquesta Tesi doctoral és estudiar la viabilitat de la producció ecològica d’arròs al Delta de l’Ebre. Els objectius específics de la Tesi son investigar quines estratègies no químiques redueixen el nombre d’adventícies als arrossars (capítol I), l’avaluació de l’eficàcia dels fungicides amb una base de sofre o silici pel control de la malaltia de la piriculariosis en diferents varietats d’arròs del Delta de l’Ebre (capítol II) i l’avaluació de l’eficiència de fertilitzants orgànics per sistemes de producció ecològica d’arròs (capítol III): El capítol I informa dels mètodes no químics pel control d’adventícies que poden reduir el nombre de plantes a nivells similars als herbicides. La sembra en sec simple, va ser el millor tractament per la sembra en sec, mentre que la falsa sembra acompanyada del trasplant, va mostrar el millor rendiment de gra en condicions de sembra en aigua. La sembra en sec afavoreix les adventícies de la família gramineae: E. crus-galli, E. oryzoides, mentre reprimeix altres de les famílies cyperaceae i pontederiaceae. Oposadament, les condicions de la sembra en aigua afavoreixen les adventícies de les famílies cyperaceae i pontederiaceae (S. maritimus, C. difformis i H. reniformis), mentre que la família gramineae contínua sent un problema als arrossars. El capítol II informa de l’efecte dels fungicides no químics en diferents varietats d’arròs. La varietat de major sensibilitat a piriculariosis és el Bomba. Les varietats amb menor sensibilitat, no requereixen fungicides ja que la tolerància varietal és suficient. Per altra banda, els tractaments amb sofre són efectius en varietats de mitja sensibilitat com Argila, Guara o J. Sendra. Concloem que el sofre (Thiopron, 82.5 % a.i. L-1, SC, UPL Iberica) aplicat a una dosi de 7.5 l·ha-1, és una eina potencial per ajudar als agricultors de producció ecològica d’arròs. El capítol III informa que el fertilitzant químic ha mostrat els millors resultats en producció i número de fillols, seguit del fertilitzant orgànic OPF. El fertilitzant orgànic OPF ha sigut l’únic a mostrar una reducció de producció del 17% en comparació amb el químic. La formulació en pellet del fertilitzant OPF, s’adapta als equips actuals d’aplicació dels arrossers. Es conclou que s’ha demostrat per primera vegada la viabilitat de la producció ecològica d’arròs i s’afegeix coneixement del maneig de les adventícies, les malalties fúngiques i la fertilització orgànica. Els resultats son rellevants per que contribueixen a la sostenibilitat del Delta de l’Ebre.