Environmental and farm management effects on food nutrient concentrations and yields of East African staple food crops

Hidden hunger affects two billion people worldwide, particularly children and pregnant women. Human health and well-being are dependent on the quality and quantity of food consumed, particularly of plant-based foods. Plants source their nutrients from the soil. Essential nutrients for both, plants and humans, therefore, predominantly originate from the soil. Very little is known about the influence of environmental factors (e.g. soil types and abiotic factors, such as weather), or farm management choices (e.g. fertilisation or agrobiodiversity), on nutrient concentrations of edible crop parts. The main aim of this thesis was, therefore, to analyse the effects of soil fertility, farm management, and abiotic factors such as drought, on the quantity (yields) and quality (nutrient concentrations) of essential macro- (Mg, P, S, K, Ca) and micronutrients (Fe, Zn, Mn and Cu), of the edible parts of three East African staple food crops, i.e. maize (Zea mays L.), cassava (Manihot esculenta} Crantz), and matooke (East African Highland Banana (Musa acuminata Colla)), and discuss the resulting implications for food and nutrition security. Two research areas were selected in East Africa, one with a high fertility soil (Kapchorwa, Uganda - Nitisol) and one with a low fertility soil (Teso South, Kenya – Ferralsol). In each region, 72 households were randomly selected, and leaf and edible crop parts, and soil samples collected on three fields per household, organised by distance (closest, mid-distance, and farthest field). Maize and cassava were collected in Teso South, maize and matooke were collected in Kapchorwa. Yields, fertilizer usage and species richness (SR) and diversity (SD) were recorded per field. The total nutrient concentrations were measured in all samples collected (soils and plant parts). A drought occurring in the second rain season of 2016 provided the opportunity to analyse water stress effects on crop quantity and quality (Chapter 2). Edible part samples and yields collected in both seasons were compared. Soil chemical and physical properties, together with farm management variables, were compared to edible part nutrient concentrations and yields using a Canonical Correspondence Analysis (CCA) (Chapter 3). To understand the strength of association between the measurements routinely done by agronomists (leaf measurement) and nutritionists (edible part measurement), samples of each crop were collected, and were compared to each other and to yields, using a bivariate linear mixed model (Chapter 4). During the severe drought, nutrient concentrations in Kapchorwa decreased significantly from normal to drought season in both crops. In contrast, during the moderate drought in Teso South, nutrient concentrations increased significantly in both crops. Lacking nutrient phloem mobility is suggested to play a vital role in mobilisation of micronutrients (Fe, Mn, and Cu), as shown by their decreased concentration under severe drought in the yields of both crops in Kapchorwa (Chapter 2). Soil type had a very strong effect on food nutrient concentrations. Maize grain nutrient concentrations and yields, for example, were significantly higher for all nutrients measured on higher fertility soils. Maize grain had the highest correlations with soil factors. In contrast, corresponding correlations to management factors were much weaker (Chapter 3). Concerning the comparison of nutrient concentrations in different plant parts, low phloem mobile nutrients Ca, Mn, Fe, Zn, and Cu showed the largest differences in correlations between leaves and edible parts. In the same comparison, perennial crops (matooke and cassava) showed lower correlations between leaves and edible parts, than annual crops (maize) (Chapter 4). Environmental factors, such as drought impacted food nutrient concentrations. Severe drought caused a potential “double-burden” for consumers, decreasing both yields and nutrient concentrations, particularly of micronutrients. Considering food nutrient concentrations, apart from yield, as response variables in agronomic trials (e.g. fertilisation or soil improvement strategies) would contribute towards discounting the notion that crops growing on fertile soils always produce healthy and high-quality foods. Leaves may provide information on plant health, however, do not provide enough information to gauge both yields and food quality, particularly regarding micronutrients. The results also showed that measuring the edible part is vital to assessing food quality, particularly due to the observed effects of nutrient mobility, affecting particularly micronutrients and Ca. Ending hunger and improving food and nutrition security for all, particularly when confronted with global change issues such as degrading soils and a changing climate, requires a collaborative effort by all disciplines concerned.

Weltweit leiden zwei Milliarden Menschen an verborgenem Hunger. Die Qualität und die Quantität der konsumierten Nahrung, besonders die der pflanzlichen Nahrung, beeinflusst die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen. Pflanzen nehmen ihre Nährstoffe aus dem Boden auf. Folglich stammen die essentiellen Makro- und Mikronährstoffe für Pflanzen und damit auch für den Menschen überwiegend aus dem Boden. Es bestehen große Wissenslücken, inwieweit Umweltfaktoren (z.B. abiotische Faktoren wie Bodentyp und Wetter) und das betriebliche Management, die Nährstoffkonzentration im essbaren Pflanzenteil beeinflussen. Das Forschungsziel dieser Arbeit war, den Einfluss der Bodenfruchtbarkeit, des Betriebsmanagements sowie abiotischer Faktoren auf die Erträge (Quantität) und die Nährstoffkonzentrationen (Qualität, essentielle Makro- (Mg, P, S, K, Ca), und Mikronährstoffen (Fe, Zn, Mn, Cu)) dreier ostafrikanischer Grundnahrungsmittel, und zwar Mais (Zea mays L.), Maniok (Manihot esculenta Crantz) und Matooke (ostafrikanische Hochlandbanane (Musa acuminata Colla)), zu analysieren und daraus resultierende Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung zu diskutieren. Zwei Forschungsgebiete mit unterschiedlicher Bodenfruchtbarkeit wurden in Ostafrika ausgewählt (hohe Bodenfruchtbarkeit: Kapchorwa, Uganda – Nitisole; niedrige Bodenfruchtbarkeit: Teso South, Kenia – Ferralsole). Auf landwirtschaftliche Betrieben wurden Proben der Blätter, der essbaren Pflanzenteile und Bodenproben gesammelt, und deren Nährstoffkonzentrationen gemessen. Mais- und Maniokproben wurden in Teso South gesammelt. Mais- und Matookeproben wurden in Kapchorwa gesammelt. Erträge, Düngeaufwand, Artenreichtum und -diversität wurden je Feld gemessen. Eine eingetretene Dürre in der zweiten Regenperiode 2016 ermöglichte es, die Ertragsquantität und -qualität unter Trockenstress zu analysieren (Kapitel 2). Einflüsse der Bodenchemie und Bodenphysik sowie des betrieblichen Managements wurden mit den Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil und den Erträgen unter Anwendung der Kanonischen Korrespondenz-Analyse (CCA) ermittelt (Kapitel 3). Die Nährstoffgehalte der Blätter und der essbaren Pflanzenteile wurden mit den Erträgen durch ein bivariates lineares gemischtes Modell verglichen, um damit die Ergebnisse der gängigen Messmethoden der Agrar- (Blätter) und Ernährungswissenschaften (essbare Pflanzenteile) zu vergleichen, Unterschiede zu identifizieren, und Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung abzuleiten (Kapitel 4). Die Nährstoffgehalte in der intensiven Dürreperiode in Kapchorwa hatten, verglichen mit der normalen Regenzeit, in beiden Pflanzen signifikant abgenommen. Konträr dazu hatten die Nährstoffgehalte in Teso South während der moderaten Dürre in beiden Pflanzen signifikant zugenommen. Die niedrigen Mikronährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil während der intensiven Dürreperiode (Fe, Mn und Cu) lassen darauf schließen, dass die niedrige Nährstoffmobilität im Phloem hierfür verantwortlich war (Kapitel 2). Auch der Bodentyp hatte einen starken Effekt auf die Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil. Die Konzentrationen aller gemessenen Nährstoffe im Maiskorn sind auf den fruchtbareren Böden signifikant höher als auf nährstoffärmeren Böden. Die Nährstoffkonzentrationen im Maiskorn korrelierten am stärksten mit den Bodeneigenschaften und am wenigsten mit Managementfaktoren. Der Vergleich der Nährstoffkonzentrationen zwischen Blättern und essbaren Pflanzenteilen zeigten, dass die wenig phloemmobilen Nährstoffe (Ca, Mn, Fe, und Cu) die größten Korrelationsunterschiede aufweisen. Die mehrjährigen Pflanzen (Matooke und Maniok) zeigten dabei eine niedrigere Korrelation zwischen den Pflanzenteilen als die einjährige Pflanze (Mais) (Kapitel 4). Umweltfaktoren, wie zum Beispiel die starke Dürre führte zu Nährstoff- (besonders die der Mikronährstoffe) und Ertragseinbußen, welches damit eine doppelte Belastung der Bevölkerung bedeutete. Würden in agrarwissenschaftlichen Versuchen neben den Erträgen die Nährstoffkonzentrationen des essbaren Teils der Pflanze erhoben werden, könnte man der gängigen Annahme, dass nur auf fruchtbaren Böden gesunde und qualitativ hochwertige Nahrung produziert wird, relativieren. Die Analyse der Blätter gibt Auskunft über die Pflanzengesundheit und den Ertrag, erlaubt aber keine Rückschlüsse über die Ertragsqualität, vor allem nicht in Bezug auf Mikronährstoffe und Ca. Umwelt- und Managementfaktoren haben einen bedeutenden Einfluss auf die Nährstoffkonzentrationen und könnten damit die Nahrungs- und Ernährungssicherheit erheblich beeinflussen. Eine Steigerung der Nahrungs- und Ernährungssicherheit und damit ein Ende des weltweiten Hungerns, gerade auch im Kontext wachsender Herausforderungen einhergehend mit der Klimakrise und einer zunehmenden Bodendegradierung, verlangen einen kollaborativen Einsatz aller beteiligten Disziplinen.