This dissertation shows a novel strategy using soil matric potential based irrigation to improve water productivity of rice cultivation which is a case study from Sri Lanka. Study contains research component and a crop modelling component.:Introduction Fundamentals and Scientific Background Literature Review New Methods for Improving Water Productivity in Rice Cultivation Results and Discussion Conclusions and Outlook

Current research concentrates on ways to investigate and improve water productivity (WP), as agriculture is today’s predominant freshwater consumer, averaging at 70% and reaching up to 93% in some regions. A growing world population will require more food and thus more water for cultivation. Regions that are already affected by physical water scarcity and which depend on irrigation for growing crops will face even greater challenges regarding their water supply. Other problems in such regions are a variable water supply, inefficient irrigation practices, and over-pumping of available groundwater resources with other adverse effects on the ecosystem. To face those challenges, strategies are needed that use the available water resources more efficiently and allow farming in a more sustainable way. This work focused on the management of sensor-based deficit irrigation (DI) systems and improvements of WP through a combined approach of simulation-optimization and irrigation experiments. In order to improve irrigation control, a new sensor called pF-meter was employed, which extended the measurement range of the commonly used tensiometers from pF 2.9 to pF 7. The following research questions were raised: (i) Is this approach a suitable strategy to improve WP; (ii) Is the sensor for irrigation control suitable; (iii) Which crop growth models are suitable to be part of that approach; and (iv) Can the combined application with experiments prove an increase of WP? The stochastic simulation-optimization approach allowed deriving parameter values for an optimal irrigation control for sensor-based full and deficit irrigation strategies. Objective was to achieve high WP with high reliability. Parameters for irrigation control included irrigation thresholds of soil-water potentials because of the working principle behind plant transpiration where pressure gradients are transmitted from the air through the plant and into the root zone. Optimal parameter values for full and deficit irrigation strategies were tested in irrigation experiments in containers in a vegetation hall with drip irrigated maize and compared to schedule-based irrigation strategies with regard to WP and water consumption. Observation data from one of the treatments was used afterwards in a simulation study to systematically investigate the parameters for implementing effective setups of DI systems. The combination of simulation-optimization and irrigation experiments proved to be a suitable approach for investigating and improving WP, as well as for deriving optimal parameter values of different irrigation strategies. This was verified in the irrigation experiment and shown through overall high WP, equally high WP between deficit and full irrigation strategies, and achieved water savings. Irrigation thresholds beyond the measurement range of tensiometers are feasible and applicable. The pF-meter performed satisfactorily and is a promising candidate for irrigation control. Suitable crop models for being part of this approach were found and their properties formulated. Factors that define the behavior of DI systems regarding WP and water consumption were investigated and assessed. This research allowed for drawing the first conclusions about the potential range of operations of sensor-based DI systems for achieving high WP with high reliability through its systematical investigation of such systems. However, this study needs validation and is therefore limited with regard to exact values of derived thresholds.

Current research concentrates on ways to investigate and improve water productivity (WP), as agriculture is today’s predominant freshwater consumer, averaging at 70% and reaching up to 93% in some regions. A growing world population will require more food and thus more water for cultivation. Regions that are already affected by physical water scarcity and which depend on irrigation for growing crops will face even greater challenges regarding their water supply. Other problems in such regions are a variable water supply, inefficient irrigation practices, and over-pumping of available groundwater resources with other adverse effects on the ecosystem. To face those challenges, strategies are needed that use the available water resources more efficiently and allow farming in a more sustainable way. This work focused on the management of sensor-based deficit irrigation (DI) systems and improvements of WP through a combined approach of simulation-optimization and irrigation experiments. In order to improve irrigation control, a new sensor called pF-meter was employed, which extended the measurement range of the commonly used tensiometers from pF 2.9 to pF 7. The following research questions were raised: (i) Is this approach a suitable strategy to improve WP; (ii) Is the sensor for irrigation control suitable; (iii) Which crop growth models are suitable to be part of that approach; and (iv) Can the combined application with experiments prove an increase of WP? The stochastic simulation-optimization approach allowed deriving parameter values for an optimal irrigation control for sensor-based full and deficit irrigation strategies. Objective was to achieve high WP with high reliability. Parameters for irrigation control included irrigation thresholds of soil-water potentials because of the working principle behind plant transpiration where pressure gradients are transmitted from the air through the plant and into the root zone. Optimal parameter values for full and deficit irrigation strategies were tested in irrigation experiments in containers in a vegetation hall with drip irrigated maize and compared to schedule-based irrigation strategies with regard to WP and water consumption. Observation data from one of the treatments was used afterwards in a simulation study to systematically investigate the parameters for implementing effective setups of DI systems. The combination of simulation-optimization and irrigation experiments proved to be a suitable approach for investigating and improving WP, as well as for deriving optimal parameter values of different irrigation strategies. This was verified in the irrigation experiment and shown through overall high WP, equally high WP between deficit and full irrigation strategies, and achieved water savings. Irrigation thresholds beyond the measurement range of tensiometers are feasible and applicable. The pF-meter performed satisfactorily and is a promising candidate for irrigation control. Suitable crop models for being part of this approach were found and their properties formulated. Factors that define the behavior of DI systems regarding WP and water consumption were investigated and assessed. This research allowed for drawing the first conclusions about the potential range of operations of sensor-based DI systems for achieving high WP with high reliability through its systematical investigation of such systems. However, this study needs validation and is therefore limited with regard to exact values of derived thresholds.

Der hydrologische Kreislauf versorgt die Menschheit mit Wasserressourcen, die für ihr Wohlergehen unabdingbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis über klimabedingte Veränderungen des hydrologischen Kreislaufs zu verbessern, wie diese die Verfügbarkeit von Wasserressourcen in der Zukunft beeinflussen und welche Möglichkeiten bestehen, den Druck auf die verfügbaren Wasserressourcen durch Verringerung des anthropogenen Wasserverbrauchs zu reduzieren. Diese Dissertation zeigt, dass der Klimawandel eine große Bedrohung für die Wasserversorgung der zukünftigen Bevölkerung darstellt. Durch Begrenzung des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur auf 2 K oder sogar 1,5 K über das vorindustrielle Niveau können gravierende negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit jedoch weitgehend vermieden werden. Dennoch wären einige Regionen wie der Mittelmeerraum "eher wahrscheinlich" von schwerwiegenden hydrologischen Veränderungen betroffen, und in großen Teilen der Welt könnten negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit aufgrund der großen Unsicherheiten in den Projektionen nicht ausgeschlossen werden. Bei der Untersuchung der Nachfrageseite liegt der Schwerpunkt auf der Wassernutzung in der Tierproduktion. Diese Dissertation schätzt den gegenwärtigen Wasserverbrauch für die Produktion von Tierfutter auf 4666 km3/yr (44 % des gesamten landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs). Große Verbesserungen der Wasserproduktivität können bei Schweinen und Geflügel durch Verbesserungen sowohl in der Futtermittelproduktion als auch in der Tierhaltung erzielt werden. Bei Wiederkäuern liegt das größte Potenzial in der Verbesserung der Tierhaltung. Allerdings geht eine effizientere Futterverwertung bei Wiederkäuern, die durch erhöhte Beigabe von Kraftfutter erzielt wird, mit einem erhöhten Wasserbedarf für die Produktion des Futters einher. Dadurch ist die Verbesserung der Wasserproduktivität bei Wiederkäuern begrenzt. / The hydrological cycle provides humanity with water resources that are essential for its well-being. The aim of this thesis is to advance the understanding of climate-related changes in the hydrological cycle, how they will affect the availability of water resources in the future, and what opportunities exist to reduce anthropogenic water use to lower the pressure on water resources. This thesis demonstrates that climate change is a large threat to freshwater supply for future populations. Limiting the increase in global mean temperature to 2 K or even 1.5 K above pre-industrial levels can mitigate most of the severe negative impacts on water resources. However, some regions such as the Mediterranean would still ‘more likely than not’ be affected by severe hydrological change, and in large parts of the world, negative impacts on water availability could not be ruled out due to the large uncertainties in the projections. On the demand side, the focus is on water use in the livestock sector. This thesis estimates that about 4666 km3/yr (44 % of total agricultural water use) are currently used for feed production for the livestock sector. Large improvements in livestock water productivity can be achieved for pigs and poultry by improvements in feed production and livestock rearing alike. For ruminants, the largest potential lies in improving livestock management. However, improving the feed use efficiency of ruminants through increased supplementation with forage crops comes at the cost of increased water requirements to produce the feed. This limits the potential for improving livestock water productivity in ruminant production.

Die Wasserknappheit wird aufgrund des Klimawandels voraussichtlich häufiger und intensiver auftreten, wodurch die Wasserkonkurrenz zunimmt und die Nahrungsmittelproduktion gefährdet wird. Höhere Temperaturen und längere Dürren können auch die Wasserverfügbarkeit der Tierhaltung beeinflussen. In Folge dessen kann es zu einer Verringerung des Futterangebots und damit zu einer Beeinträchtigung der Produktion kommen. Auch aus diesem Grund sind nachhaltige und resiliente Produktionssysteme erforderlich, um den Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken. Auf Pflanzenproduktion und Tierhaltung entfallen 72 % der weltweit entnommenen Wassermenge. Der Löwenanteil des Wasserbedarfs in der Tierhaltung besteht bei der Futtermittelproduktion. Weiterhin wird Wasser für die Trinkwasserbereitstellung sowie für die Reinigung und die Kühlung der Ställe benötigt. Tierproduktionssysteme müssen zukünftig mit betrieblichen Maßnahmen die Wasserressourcen besser ausnutzen. Die Steigerung der Wasserproduktivität in der Pflanzenproduktion und der Tierhaltung durch eine integrierte Bewirtschaftung und Steuerung der eingesetzten Wasserressourcen sind hierfür von entscheidender Bedeutung. Die Wasserproduktivität beschreibt das Verhältnis von Output zu Input: das Verhältnis von Output (z. B. kg Milch) zu produktivem Wasserinput (z. B. m³ Transpiration). Das Wasserinput umfasst den direkten Wassereinsatz und den indirekten Wassereinsatz, z.B. für zugekaufte Futtermittel. Die Ermittlung der Wasserproduktivität wird vor allem bei der Bewertung von landwirtschaftlichen Maßnahmen zur Verbesserung des Niederschlags- und technischen Wassereinsatzes in der Tier- und Pflanzenproduktion benötigt. Zur Steigerung der Wasserproduktivität und auch um die Umweltwirkungen der Tierhaltungssysteme zu verringern, bedarf es einheitlicher Methoden. Im Jahr 2019 hat die Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) mit dem Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership Richtlinien für die Bewertung der Wassernutzung in Tierproduktionssystemen und zugehöriger Lieferketten veröffentlicht. Zielsetzung ist die Ermittlung der Wasserflüsse auf betrieblicher Ebene, um einerseits die Wasserproduktivität zu ermitteln und andererseits den Beitrag der Tierhaltung zu einer möglichen Wasserknappheit zu bewerten. In dieser kumulativen Dissertationen werden die Ergebnisse der ersten Anwendung dieser Leitlinien der FAO in landwirtschaftliche Betriebe in Brasilien vorgestellt. In referierten Fachzeitschriften wurden bereits drei Originalarbeiten veröffentlicht. Im Rahmen der drei Veröffentlichungen wurde die Wasserproduktivität wurde für 115 Betriebe (Schweine-, Geflügel- und Milchviehbetriebe) im Einzugsgebiet des Lajeado Tacongava in Südbrasilien berechnet, wobei die Auswirkungen der Viehzucht auf die Wasserknappheit bewertet wurden. Die Ergebnisse der ersten und zweiten bereits veröffentlichten Originalarbeiten zeigen den großen Einfluss von Futtermitteln auf die Wasserproduktivität tierischer Erzeugnisse. Die Ergebnisse unterstreichen daher die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Pflanzenproduktion und Tierhaltung. Die Niederschlagswasserproduktivität der Futterproduktion muss verbessert werden, um das Management der Tierernährung zu optimieren. Darüber kann eine höhere Wasserproduktivität der Tierhaltung insgesamt erreicht werden. In Milchviehbetrieben zeigen die Ergebnisse, dass die Wasserproduktivität direkt von den Indikatoren für eine höhere Milchproduktivität des Betriebs abhängt, unabhängig von der Art des Produktionssystems, und unterstreichen die Bedeutung der Bewertung dieses Indikators WP auf Betriebsebene. Die dritte Veröffentlichung standen die Umweltauswirkungen der Wassernutzung der Tierhaltung im Fokus. Die Bewertung der Auswirkungen der Wassernutzung ergab eine geringe Wasserknappheit im untersuchten Wassereinzugsgebiet. Die Wasserknappheit ist nicht alarmierend, selbst bei den Szenarien mit geringerer Verfügbarkeit von Wasser. Die Produktion von Schweinen wies den größten „Fußabdruck der Wasserknappheit“ im Wassereinzugsgebiet auf, gefolgt von der Milch- und Geflügelproduktion. Diese Dissertation trägt dazu bei, das Wissen über die Wasserflüsse, die Wasserproduktivität der Schweine- und Geflügelproduktion und die Milchproduktion in verschiedenen Produktionssystemen auf betrieblicher Ebene zu erweitern. Es sind die ersten Berechnungen der Wasserproduktivität dieser Tierproduktionssysteme in brasilianischen Betrieben und die erste Bewertung der Auswirkungen der Wasserknappheit in der Tierproduktion in einem brasilianischen Einzugsgebiet. Zudem wurde das Land Brasilien damit in die internationale wissenschaftliche Diskussion zu diesem Thema eingeführt. Die LEAP-Richtlinien der FAO wurden in dieser ersten Studie in Brasilien erfolgreich angewandt. Auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine breite Anwendung der Leitlinien empfohlen, um die Berechnung von zuverlässigen und vergleichbaren Ergebnissen zu gewährleisten und die Entscheidungsfindung von Regierung, Wirtschaft und Gesellschaft im Hinblick auf eine resiliente und nachhaltige landwirtschaftliche Produktionssysteme zu unterstützen. / Water shortages caused by persistent and severe droughts and changes in rainfall patterns are expected to be more frequent and intense due to climate change, increasing water competition and posing food production at risk. Therefore, sustainable and resilient food systems are needed to meet the demand of a growing population. Plant production and animal husbandry account for 72% of the water withdrawn worldwide. Most water consumed in livestock production is for animal feed production. Water is also needed to provide drinking water and to clean and cool the stables. In this context, increasing agriculture and livestock water productivity (WP) is crucial, along with integrated management and governance of water resources. WP describes the ratio of output (e.g. kg milk) to water input (e.g. m³ evapotranspiration). Water input includes direct (e.g. water intake) and indirect (e.g., water for purchased feed) water use. WP calculations are used primarily in evaluating agricultural measures to improve rainfall and technical WP in livestock and crop production. Consistent methods are needed to increase WP and also to reduce the water-related environmental impact of livestock systems. Recently, the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), through the Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership, launched reference guidelines for assessing water use in livestock production systems and supply chains. The FAO LEAP guidelines aim to understand the water flows on a farm scale and evaluate the contribution of livestock activities to water scarcity, supporting the identification of opportunities to reduce the potential water use impacts in this sector. This cumulative thesis presents the results of the first application of the FAO LEAP guidelines on farms located in Brazil. Three original publications were published in peer-reviewed journals. The WP was calculated based on primary data collected on 115 farms (pig, poultry and dairy) located within the Lajeado Tacongava watershed in southern Brazil, where the water scarcity impact associated with livestock production was assessed. The results of the first two original papers published show the high influence of feed production on the WP of animal products. Therefore, the results emphasize the need for close cooperation between feed production and livestock production to improve WP. Rainfall WP of feed production can be improved to optimize animal nutrition management. In addition, higher livestock WP can be achieved. In dairy farms, results indicate that WP is directly dependent on dairy productivity indicators of the farm, regardless the type of production system, and reinforce the importance of assessing this indicator on a farm scale. In the third publication, the environmental impact of water use in livestock production was investigated. The water scarcity impact assessment demonstrated a low water scarcity in the watershed and it is not alarming even in the driest water flow scenarios. Pig production presented the highest water scarcity footprint in the watershed, followed by dairy farming and poultry production. This dissertation contributes to the advancement of knowledge on the water flows, WP of pig, poultry and milk produced under different production systems on farm scale, which are the first WP benchmarks for these animal production systems in Brazilian farms. It also introduced Brazil to the international scientific discussion on this topic. Some suggestions of potential improvements for the guidelines are presented in this study. The FAO LEAP guidelines were successfully applied in its first study in Brazil. Based on the results of this study, the guidelines’ widespread use is recommended to ensure reliable and comparable results to support government, business and society decision-making toward a more resilient and sustainable food supply chain.

Die Wasserproduktivität in der Tierhaltung ist von vielen Faktoren abhängig. Die Futterproduktion hat den größten Anteil am Wasserbedarf von tierischen Produkten. Weitere Einflussfaktoren sind die Leistung, die Reproduktion und der Gesundheitsstatus der Tiere, das Management und die Haltungsbedingungen. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, wie sich diese Faktoren auf die Wasserproduktivität von Milch und Geflügelfleisch in Nord-Ost-Deutschland auswirken. Zehn unterschiedliche Futtermittel wurden hinsichtlich ihres Wasserbedarfes untersucht. Aus diesen Futtermitteln wurden die Rationen für die Tiere erstellt. Die Milchleistung der Kühe wurde zwischen 4.000 und 12.000 kg Milch pro Kuh und Jahr in 2.000 kg Schritten variiert. Für jedes Leistungsniveau wurden zwölf verschiedene Fütterungsstrategien untersucht, welche auf der Erhöhung einzelner Bestandteile der Ration basieren. Der Wasserbedarf von Leitungswasser im Stall wurde mit 38 Wasserzählern ermittelt. Für die Wasserproduktivität des Geflügelfleisches wurden vier verschieden intensive Mastverfahren untersucht. Die Wasserproduktivität steigt mit steigender Milchleistung der Kühe. Das Maximum wird bei 10.000 kg Milch pro Kuh und Jahr und Rationen mit einem hohem Gras- bzw. Maissilageanteil erreicht. Die Kühe, die im automatischen Melksystem gemolken wurden, nahmen mehr Tränkwasser zu sich, als die Kühe im Fischgrätenmelkstand. Dies ist durch die höhere Milchleistung bedingt. Im automatischen Melksystem wurden im Mittel 28,6 Liter Reinigungswasser pro Kuh und Tag benötigt. Für die Reinigung des Fischgrätenmelkstandes wurden 33,8 Liter pro Kuh und Tag genutzt. Die untersuchten Broilermastverfahren zeigten keine Unterschiede hinsichtlich der Wasserproduktivität. Die intensivere Aufzucht und bessere Futterverwertung wurde durch eine niedrigere Wasserproduktivität des Futters kompensiert. Der Anteil des technischen Wassers macht in der Milchkuh- und Broilerhaltung nur einen kleinen Teil am Gesamtwasserbedarf aus. / Livestock production is the main user of water resources in agricultural production. Water is used in animal production for producing feed, watering the animals, and cleaning and disinfecting barns and equipment. The objective of this dissertation was to quantify the effects of management strategies, such as feeding, intensity of production and the replacement process on the water productivity of milk and poultry meat in Germany. Water productivity in milk and broiler production systems was calculated based on the methodology of Prochnow et al. (2012). Own measurements of the drinking and cleaning water demand in milk production were conducted in a dairy cow barn. The study was based on site conditions of North-East Germany with common variations in farm operations. The feed production is the main contributor to water input in dairy and poultry production. The water productivity of milk increased with an increasing milk yield. The most beneficial conditions related to water productivity in dairy farming were found to be with a milk yield of approximately 10,000 kg fat corrected milk and a grass silage and maize silage based feeding. The total technical water use in the barn makes only a minor contribution to water use. Former regression functions of the drinking water intake of the cows were reviewed and a new regression function based on the ambient temperature and the milk yield was developed. In broiler production the intensification of the fattening systems did not increase water productivity. An increase of water productivity in animal production can be achieved with various management strategies with their specific influence on the production process. The feed management should be a focus of the strategies.