Crop yield and fate of nitrogen fertilizer in maize-based soil conservation systems in Western Thailand

The increase in food demand and land scarcity in high-potential lowland areas have forced cropping intensification with a transformation of land use from subsistence to permanent agriculture in remote hillside in Southeast Asia. This change and inappropriate land use are the prime cause of soil degradation by erosion, which have negatively affected the agricultural systems productivity and sustainability in Thailand. Therefore, vulnerable land in sloping terrain is classified as unsuitable for continuous production of arable crops unless conservation measures are introduced to stabilize the landscape. Even though conservation practices can stabilize sloping land, farmers have not been widely adopted the measures due to various constraints, such as crop area loss and crop-tree competition. To improve land use management, a two-year study (2010-2011) was conducted at the Queen Sirikit research station (13°28’N, 99°16’E), Ratchaburi Province, Thailand, on a hillside with a slope of around 20%. The treatments consisted of (T1) maize (Zea mays L.) mono-crop under tillage and fertilization, (T2) maize intercropped with chili (Capsicum annuum L.) under tillage and fertilization, (T3) maize intercropped with chili, application of minimum tillage plus Jack bean (Canavalia ensiformis (L.) DC) relay cropping and fertilizer application, (T4) maize intercropped with chili, application of minimum tillage with Jack bean relay cropping and fertilizer application plus perennial hedges of Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit, (T5) as T3 but without fertilization, and (T6) as T4 but without fertilization. There was an additional plot of chili sole cropping to calculate the land equivalent ratio (LER). The first part of the study evaluated yield performance and nitrogen use efficiency (NUE) of crops using the 15N isotope technique under diverse fertilized cropping systems during the first year. Maize grain yields were lower in T2 (3.1 Mg ha-1), T3 (2.6 Mg ha-1) and T4 (3.3 Mg ha-1) than in the control (T1) (6.7 Mg ha-1). The total returns from maize and chili yields were 1,914, 5,129, 3,829, 3,900, 3,494, and 2,976 USD ha-1, for T1, T2, T3, T4, T5 and T6, respectively. Higher economic returns in mixed crop systems, by selling both maize and chilies, compensated for the maize area loss by intercropping. Maize 15NUE was highest in T2 (53.5%), being significantly higher than in T1 (47.0%), T3 (45.5%), and T4 (45.7%). Overall system’s NUE in T2 (56.8%) was comparable to T1 (53.8%) and T4 (54.5%) but significantly lower in T3 (48.6%). Minimum tillage and hedgerows (despite their positive filter effect) did not increase NUE but adversely affected maize growth during the establishment phase. The second part of the study examined nitrogen fertilizers fate and quantified partial nitrogen budgets at plot level over two cropping seasons for various maize-based cropping systems with or without fertilizer application. Overall plant uptake of fertilizer 15N applied to maize was 48.6-56.8% over the first season, while residual fertilizer 15N recovery of plants was only 2.3-4.9% over the subsequent season. The quantity of applied labelled N remaining in the soil at the end of season 1 and season 2 was 6.2-28.1% and 7.7-28.6%, respectively. Thus, 60.0-76.0% in season 1 and 12.7-31.3% in season 2 of the applied fertilizer 15N were accounted for within the plant-soil system. Consequently, 24.0-40.0% and 12.9-16.1% of labelled fertilizer N were not accounted for at the end of season 1 and season 2, respectively. The derived N balance over two years revealed severe soil N depletion under T1 (-202 kg N ha-1), T5 (-86 kg N ha-1) and T6 (-48 kg N ha-1), and a slightly negative N budget under T2 (-5 kg N ha-1). In contrast, T3 (87 kg N ha-1) and T4 (62 kg N ha-1) had positive N balances. The increase of N input via additional N fertilizer applied to chili and symbiotic N2 fixation of legumes, and the reduction of N losses by soil erosion and unaccounted fertilizer N (probably lost via leaching, volatilization and denitrification) were the main factors of the positive N balances under maize-chili intercropping systems with conservation measures and fertilization (T3 and T4). Maize yield decline under T1, T2, T5 and T6 in season 2 was related to negative N balances, while maize yield increase under T3 and T4 was related to positive N balances. However, maize-chili intercropping with fertilization had some advantage (LER > 1.0) relative to sole species cropping. Moreover, total returns from crop yields in season 2 of all maize-chili intercroppings (1,378-1,818 USD ha-1) were higher than chili sole cropping (1,321 USD ha-1), which pointed to its crucial role in decreasing production risk by reducing yield loss by pests and diseases observed in chili plants. The third part of the study used combined data of stable isotope discrimination and electrical resistivity tomography (ERT) to improve understanding of competition at the crop-soil-hedge interface. Hedges significantly reduced maize grain yield and aboveground biomass in rows close to hedgerows. ERT revealed water depletion was stronger in T1 than in T4 and T6, confirming time domain reflectometry (TDR) and leaf area data. In T4, water depletion was higher in maize rows close to the hedge than rows distant to hedges and maize grain δ13C was significantly less negative in rows close to the hedge ( 10.33‰) compared to distant ones ( 10.64‰). Lack of N increased grain δ13C in T6 ( 9.32‰, p ≤ 0.001). Both methods were negatively correlated with each other (r= 0.66, p ≤ 0.001). Combining ERT with grain δ13C and %N allowed identifying that maize growth close to hedges was limited by N and not by water supply. In conclusion, the results suggested a significant positive interaction between mineral N fertilizer, intercropping systems and soil conservation measures in maintaining or improving crop yields and N balances in Thailand’s hillside agriculture. Simultaneously, combining ERT imaging and 13C isotopic discrimination approaches improved the understanding of spatial-temporal competition patterns at the hedge-soil-crop interface and pointed out that competition in maize-based hedgerow systems was driven by nitrogen rather than water limitation. Therefore, sustainable agriculture might be achieved if farmers in Thailand combine soil conservation measures with appropriate and targeted N fertilizer use.

Der steigende Nahrungsmittelbedarf und die Landknappheit in fruchtbaren Tieflandgebieten haben zu einer Intensivierung des Anbaus in abgelegenen Berggebieten in Südost Asien geführt. Dieser Wandel und die unangemessene Landnutzung durch annuelle Monokulturen sind die Hauptursache für die vorherrschende Bodendegradation durch Wassererosion, die sich negativ auf die Produktivität und Nachhaltigkeit des landwirtschaftlichen Systems in Thailand ausgewirkt hat. Daher wird gefährdetes Land in Hanglagen als ungeeignet für den kontinuierlichen Anbau von Ackerfrüchten eingestuft, es sei denn, es werden Erhaltungsmaßnahmen zur Stabilisierung der Landschaft eingeführt. Obwohl Naturschutzmaßnahmen die Hanglage stabilisieren können, werden sie von den Landwirten aufgrund verschiedener Einschränkungen, wie z.B. Verlust von Anbauflächen und Konkurrenz zwischen Pflanzen und Bäumen, nicht in großem Umfang angenommen. Um das Landnutzungsmanagement zu verbessern, wurde eine zweijährige Studie (2010-2011) an der Queen Sirikit Forschungsstation (13°28N, 99°16E), Provinz Ratchaburi, Thailand, an einem Hang mit einer Neigung von etwa 20 % durchgeführt. Die Behandlungen bestanden aus (T1) Mais (Zea mays L.) als Monokultur unter traditioneller Bodenbearbeitung und mineralischer Düngung, (T2) Mais mit Chili (Capsicum annuum L.) als Zwischenfrucht unter traditioneller Bodenbearbeitung und Düngung, (T3) Mais mit Chili als Zwischenfrucht, Anwendung von minimaler Bodenbearbeitung sowie Gründungung mit Jack Bean (Canavalia ensiformis (L.) DC) und mineralischer Düngung, (T4) Mais mit Chili als Zwischenfrucht, minimaler Bodenbearbeitung mit Jack Bean als Gründungung und mineralischer Düngung und zusätzlich mehrjährige Hecken aus Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit, (T5) wie T3, aber ohne mineralische Düngung, und (T6) wie T4, aber ohne mineralische Düngung. Eine zusätzliche Parzelle mit Chili-Alleinkultur diente dazu um das Landäquivalentverhältnis (LER) zu berechnen. Der erste Teil der Studie bewertete die Ertragsleistung und die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) der Nutzpflanzen unter Verwendung der 15N-Isotopentechnik unter den verschiedenen gedüngten Anbausystemen im ersten Jahr. Die Kornerträge von Mais waren in T2 (3,1 Mg ha-1), T3 (2,6 Mg ha-1) und T4 (3,3 Mg ha-1) niedriger als in der Kontrolle (T1) (6,7 Mg ha-1). Die gesamten Einnahmen aus Mais- und Chili-Erträgen betrugen 1.914, 5.129, 3.829, 3.900, 3.494 und 2.976 USD ha-1 für T1, T2, T3, T4, T5 bzw. T6. Höhere wirtschaftliche Erträge in Mischkulturen, durch den Verkauf von Mais und Chili, kompensierten den Maisflächenverlust durch den Zwischenfruchtanbau. Die Mais-NUE war in T2 (53,5%) am höchsten und damit signifikant höher als in T1 (47,0%), T3 (45,5%) und T4 (45,7%). Die NUE des Gesamtsystems in T2 (56,8%) war vergleichbar mit T1 (53,8%) und T4 (54,5%), aber signifikant niedriger in T3 (48,6%). Minimale Bodenbearbeitung und Hecken (trotz ihrer positiven Filterwirkung) erhöhten die NUE nicht, beeinträchtigten aber das Maiswachstum während der Etablierungsphase. Der zweite Teil der Studie untersuchte den Kreislauf von Stickstoffdünger und quantifizierte partielle Stickstoffbudgets auf Parzellenebene über zwei Anbausaisons für die untersuchten maisbasierten Anbausysteme mit oder ohne Düngerausbringung. Die Gesamtaufnahme des bei Mais ausgebrachten 15N-Düngers durch die Pflanzen betrug 48,6-56,8 % in der ersten Saison, während sie in der folgenden Saison nur 2,3-4,9 % betrug. Die Menge des ausgebrachten markierten N, die am Ende der 1. bzw. 2. Saison im Boden verblieb, betrug 6,2-28,1% bzw. 7,7-28,6%. Somit konnten 60,0-76,0 % in Saison 1 und 12,7-31,3 % in Saison 2 des ausgebrachten 15N-Düngers im System Pflanze-Boden nachverfolgt werden. Folglich wurden 24,0-40,0 % und 12,9-16,1 % des markierten N-Düngers am Ende der Saison 1 bzw. der Saison 2 nicht verbucht. Die erlangte N-Bilanz über zwei Jahre zeigte einen starken N-Entzugvom Bodenpool unter T1 (-202 kg N ha-1), T5 (-86 kg N ha-1) und T6 (-48 kg N ha-1) und ein leicht negatives N-Budget unter T2 (-5 kg N ha-1). Im Gegensatz dazu hatten T3 (87 kg N ha-1) und T4 (62 kg N ha-1) positive N-Bilanzen. Die Erhöhung des N-Eintrags durch zusätzliche N-Düngung von Chili und die symbiotische N2-Fixierung von Leguminosen sowie die Verringerung der N-Verluste durch Bodenerosion und nicht bilanzierten Dünger-N (Auswaschung, Verflüchtigung und Denitrifikation) waren die Hauptfaktoren der positiven N-Bilanzen unter Mais-Chili-Zwischenfruchtsystemen mit konservierenden Maßnahmen und Düngung (T3 und T4). Der Rückgang des Maisertrages unter T1, T2, T5 und T6 in Saison 2 war mit negativen N-Bilanzen verbunden, während der Anstieg des Maisertrages unter T3 und T4 mit positiven N-Bilanzen verbunden war. Allerdings hatte der Mais-Chili Zwischenfruchtanbau mit Düngung einen gewissen Vorteil (LER > 1,0) im Vergleich zum Anbau der alleinigen Art. Darüber hinaus waren die Gesamterträge in der Saison 2 aller Mais-Chili-Zwischenfrüchte (1.378-1.818 USD ha-1) höher als beim Chili-Alleinanbau (1.321 USD ha-1), was auf die entscheidende Rolle des Mais-Chili-Anbaus bei der Verringerung des Produktionsrisikos durch die Reduzierung von Ertragsverlusten durch Schädlinge und Krankheiten der Chili-Pflanzen hinweist. Im dritten Teil der Studie wurden kombinierte Daten aus stabiler Kohlenstoff-Isotopendiskriminierung und elektrischer Widerstands-Tomographie (ERT) verwendet, um das Verständnis für die Konkurrenz an der Schnittstelle zwischen Kulturpflanze, Boden und Hecke zu verbessern. Hecken reduzierten signifikant den Kornertrag und die oberirdische Biomasse von Mais in Reihen nahe an Hecken. ERT Daten zeigten, dass der Wasserentzug in T1 stärker war als in T4 und T6, was die Resultate der Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) und der Blattfläche bestätigte. In T4 war der Wasserentzug in heckennahen Maisreihen höher als in heckenfernen Reihen und das δ13C Signal des Maiskorns war in heckennahen Reihen signifikant weniger negativ (10,33‰) als in heckenfernen (10,64‰). N-Mangel erhöhte das Korn δ13C in T6 (9,32‰, p ≤ 0,001). Beide Methoden waren negativ miteinander korreliert (r= 0,66, p ≤ 0,001). Die Kombination von ERT mit Korn δ13C sowie %N Daten ergab, dass das Maiswachstum in der Nähe von Hecken durch N und nicht durch die Wasserversorgung begrenzt wurde. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse auf eine signifikante positive Wechselwirkung zwischen mineralischem N-Dünger, Zwischenfruchtsystemen und Bodenschutzmaßnahmen bei Aufrechterhaltung oder Verbesserung von Ernteerträgen und N-Bilanzen in Thailands Bergregionen hin. Gleichzeitig verbesserte die Kombination von ERT-Bildgebung und 13C-Isotopendiskriminierung das Verständnis von räumlich-zeitlichen Konkurrenzmustern an der Schnittstelle Hecke-Boden-Kultur und wies darauf hin, dass die Konkurrenz in Mais-basierten Hecken-Systemen eher durch Stickstoff- als durch Wasser-Limitierung angetrieben wird. Daher könnte eine nachhaltige Landwirtschaft erreicht werden, wenn Landwirte in Thailand Bodenschutzmaßnahmen mit einem angemessenen und platzierten N-Düngereinsatz kombinieren.