Measuring and modelling resource use competition at the crop-soil-hedge interface on a hillside in Western Thailand

Abstract

Thailand’s western uplands are facing severe soil loss and runoff problems due to intensive cultivation of cash crops for high food, feed, fiber, and fuel demand by an increasing population. Thus the Land Development Department and the International Board for Soil Research and Management in Thailand are promoting the use of soil conservation measures such as contour hedgerows, grass barriers and agroforestry systems based on fruit trees and annual crops. Although such measures have been shown to be effective in controlling soil erosion, farmers often are reluctant to adopt such practices as inclusion of trees reduces the cropped area and yields competition for available resources with crops. Hence, a better understanding of the underlying processes at the crop-soil-hedge interface is needed to design soil conservation systems that are more attractive for farmers. It was hypothesized that soil conservation systems with hedgerows and intercropping will induce spatial patterns of resource use which can be linked to competition while planting patterns affect canopy characteristics and light distributions. This study focused on the following objectives; (i) to improve understanding of competition at the crop soil hedge interface by combining stable isotope discrimination, electrical resistivity tomography and time domain reflectometry, (ii) to identify the effects of intercropping and hedgerows on maize biomass accumulation, nitrogen concentration and light use efficiency, (iii) to evaluate the competition between maize hedges at crop-soil-hedge interface, (iv) to explore possible mitigating options to cope with competition between hedge and maize by using a modelling approach. A field trial was laid out in randomized complete block design with three replicates at Queen Sirikit research farm, Ban Bo Wi village (13°28´ N and 99°15´ E), Suan Phueng District, Ratchaburi province in western Thailand with 20-25% slope magnitude. The experiment was established in 2009 while the research presented here was carried out during the 2010 and 2011 maize growing seasons. Six cropping treatments with following management practices were investigated: (T1, control) maize [Zea mays L.) monocrop, tillage, with fertilizer application (farmer’s practice; (T2) maize intercropped with chili (Capsicum annuum L. cv. Super Hot), tillage and fertilizer application; (T3) maize intercropped with chili, minimum tillage, fertilizer application, and Jack bean (Canavalia ensiformis (DC) L.) relay cropping; (T4) maize intercropped with chili, minimum tillage, fertilizer application, Jack bean relay cropped, and leucaena (Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit) hedgerows; (T5) and (T6) as (T3) and (T4), respectively, but both without fertilizer application. Tillage was carried out manually by hoe to around 0-20 cm depth. Plots were 13 x 4 m. Fertilizer was applied to maize at a rate of 62, 22, 36 kg ha-1 of N, P, and K, respectively. Urea (N) application to maize was done in two splits as 31 kg ha-1 of N one month after sowing maize and another split of 31 kg ha-1 of N two months after sowing maize Chili received 92 kg N ha-1 at the time of transplanting and 92 kg ha-1 N as top dressing one month after transplanting. The impact of competition at the crop-soil-hedge interface was studied in 2011, two years after establishment of soil conservation measures, to exclude the establishment period of leucaena with a potentially weak impact on maize. At this time, highest above ground biomass (AGB) production of maize of 1364 g m-2 was witnessed in T2 being statistically different from all other treatments, except T4 and T3; while lowest above ground biomass production of 1034 g m-2 was observed in T5. In hedgerow treatments, maize rows planted distant to hedges produced 46% and 73% higher AGB than maize growing in rows close to the hedgerow (p&#8804;0.0001) in T4 and T6, respectively. Similar effects were observed for plant height, grain nitrogen concentration and grain yield. Mean grain &#948;13C was significantly higher in T6 (-9.32‰) than in T4 (-10.49‰) and T1 (-10.55‰). Generally, higher &#948;13C signals mean higher water availability; however the higher &#948;13C signals in unfertilized T6 treatment imply that lack of nutrients may have led to increased &#948;13C values. Similarly in T4, &#948;13C signals were significantly higher in maize grains originating form rows planted close to hedges (10.33‰, p&#8804;0.0001) than samples obtained from maize rows distant to hedges (-10.64‰). These results point out that competition at the crop-soil-hedge interface was driven by nutrient rather than water limitation. The electrical resistivity tomography (ERT) imaging further supported this finding showing that maize monocrop showed higher soil moisture depletion patterns than hedge intercrop with fertilizer (T4) treatment, while hedge intercrop without fertilization (T6) depleted soil moisture least. Light use efficiency (LUE) for maize above ground biomass production was statistically higher LUEAGB (1.56 g DM MJ-1) in maize and chilli intercrop (T2) than in maize sole cropping LUEAGB (1.23 g DM MJ-1). In T4 and T6 maize rows planted close to hedgerows had lower LUEAGB than rows distant to hedgerows. The land equivalent ratio showed that inclusion of hedgerows with fertilizer application in the intercropping treatment enhanced land utilization by 21%. The Water, Nutrient and Light Capture in Agroforestry (WaNuLCAS) model simulated AGB with R2= 0.83, RMSE=6.3, EF=0.82 and CD=1.4 during calibration while model validation also showed promising results with R2= 0. 76, P<0.001, RMSE=4.6 and EF=0.69. Simulations also pointed to major nutrient limitation between maize rows planted close to hedgerows. Simulations showed that negative impacts of hedgerows on crops can be reduced by managing fertilizer application in hedge adjacent maize rows leading to a successful application of agroforestry systems on a long-term basis not only for soil conservation but also for sustainable crop production in tropical uplands. The study figured out the scope of stable isotopic discrimination, ERT, light use efficiency and modelling approaches for evaluating resource use competition at crop-soil-hedge interface on hillside agriculture. The combination of isotopic discrimination and ERT measurements provided useful information for identification of cause-impact relationships. Spatial LUE patterns provided insights for canopy light harvest under various soil conservation options. Furthermore, light use data was also helpful in validation of WaNuLCAS model which did not only provide multiple options to figure out resource use competition at crop-soil-hedge interface but also allowed to test mitigation options for sustainable crop production in tropical uplands. Model scenarios showed that negative impacts of hedgerows on crops growing close to hedges can be reduced by applying minute additional doses of fertilizer only to the crop rows planted close to hedgerows, leading to a sustainable crop production along with soil conservation. Productivity evaluation of investigated cropping systems showed that inclusion of hedgerows and intercropping in tropical hillside agriculture is promising in enhancing crop production and thus can be adopted by farmers with yield advantage.

Auf Grund des intensiven Anbaus von Marktfrüchtenfür hochwertige Lebensmittel, Futtermittel, Fasern und des Kraftstoffbedarfsfür eine wachsende Bevölkerung, steht Thailands westliches Hochland vor schwerem Bodenabtrag und Problemen mit Oberflächenabfluss. Das Landesentwicklungsministerium und der Internationale Rat für Bodenforschung und Management in Thailand fördert daher die Verwendung von Bodenschutzmaßnahmen wie Konturhecken, Grasbarrieren und Agroforstsystemen auf Basis von Obstbäumen und einjährigen Kulturen. Da die Einbeziehung von Bäumen die Anbauflächen verkleinert und es zur Konkurrenz um die verfügbaren Ressourcen mit den Feldfrüchten kommt, sind Landwirte oft zögerlich bei der Anwendung solcher Praktiken, obwohl sich diese Maßnahmen als effektiv bei der Kontrolle von Bodenerosion erwiesen haben. Um Bodenschutzsysteme für Landwirte attraktiver zu gestalten, ist daher ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Heckeerforderlich. In dieser Studie wurde die Hypothese aufgestellt, dass Bodenschutzsysteme mit Hecken und Mischkulturen räumliche Muster der Ressourcennutzung induzieren, welche mit Konkurrenz in Zusammenhang gebracht werden können, wohingegen die Pflanzmuster Bodenbedeckungseigenschaften und Lichtverteilung beeinflussen. Diese Studie konzentrierte sich auf die folgenden Ziele; (i) Verbesserung des Verständnisses des Konkurrenz an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke durch die Kombination der 13C Isotopendiskriminierungsmethode, elektrische Widerstandstomographie und Zeitdomänenreflektometrie, (ii) die Auswirkungen von Mischkulturen und Hecken auf die Biomasseakkumulation von Mais, Stickstoff-Konzentration und Lichtnutzungseffizienz zu untersuchen, (iii) die Konkurrenz zwischen Maishecken und der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke zu bewerten,(iv) mit Hilfe eines Modellierungsansatz mögliche vorbeugende Maßnahmen untersuchen, um die Konkurrenz zwischen Hecke und Mais zu bewältigen. Ein Feldversuch wurde in randomisierter vollständiger Blockanlage, mit drei Wiederholungen, auf der Queen Sirikit Forschungsfarm, in Ban BoWi (13°28 N und 99 °15 E), im Distrikt Suan Phueng, Provinz Ratchaburiin West – Thailand, bei einer Neigung von 20-25%, angelegt. Das Experiment wurde im Jahr 2009 gestartet. Jedoch wurde die Forschungsarbeit die hier vorgestellt wird, während der Maisanbauperiode der Jahre 2010 und 2011 durchgeführt. Sechs Anbauverfahren mit folgenden Managementpraktiken wurden untersucht:(T1, Kontrolle) Mais [Zea maysL.]Monokultur, Bodenbearbeitung, mit Düngeapplizierung (Anbaumethode der Bauern; (T2) Mais mit Chilials Mischkultur (Capsicumannuum L. cv Super Hot.),Bodenbearbeitung undDüngung; (T3) Mais mit Chili, Minimalbodenbearbeitung, Düngung,und Jackbohne (Canavalia ensiformis (DC) L.) im Überlappungsanbau;(T4) Mais mit Chili als Mischkultur, Minimalbodenbearbeitung, Düngung, Überlappungsanbau und Leucaenahecken (Leucaena leucocephala(Lam) de Wit.); (T5) und (T6) als( T3) und( T4), jeweils, aber beide ohne Düngung. Bodenbearbeitung wurde manuell durch Hacke auf rund 0-20 cm Tiefe durchgeführt. Die Parzellen waren 13 x 4 m groß. Bei Mais wurde Dünger in einer Menge von 62 kg ha-1 N, 22 kg ha-1 P und 36 kg ha-1 K appliziert. Harnstoff (N) wurde bei Mais in zwei Schritten appliziert, mit 31 kg ha-1 N einen Monat nach der Aussaat von Mais und mit 31 kg ha-1 N zwei Monate nach Aussaat von Mais. Chili erhielt 92 kg N ha-1 zum Zeitpunkt der Umpflanzung und 92 kg ha-1 N als Kopfdüngung einen Monat nach der Umpflanzung. Um den Entwicklungszeitraum von Leucaena mit einer potenziell schwachen Auswirkung auf Mais auszuschließen zu können, wurden die Auswirkungen der Konkurrenz an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke im Jahr 2011 untersucht, zwei Jahre nach Etablierung der Bodenschutzmaßnahmen. Zu diesem Zeitpunkt wurde die größte oberirdische Biomasseproduktion (AGB) von Mais 1364 g m-2 bei T2 beobachtet. Diese war statistisch verschieden von allen anderen Behandlungen, außer T4 und T3; während die niedrigste oberirdische Biomasseproduktion von 1034 g m-2 bei T5 beobachtet wurde. In den Heckebehandlungen produzierten die Maisreihen, welche entfernt zu den Hecken gepflanzt wurden, 46% und 73% mehr AGB als Mais welcher in Reihen in T4 bzw. T6 dicht an den Hecken wuchs (p&#8804;0.0001). Ähnliche Effekte wurde für Pflanzenhöhe, Kornstickstoffkonzentration und Kornertrag beobachtet. Durchschnittliche &#948;13C Werte für Körner waren signifikant höher bei T6 (-9,32 ‰) als bei T4 (10.49 ‰) und T1 (-10,55 ‰). Generell bedeuten höhere &#948;13C Signale höhere Verfügbarkeit von Wasser; aber die höheren &#948;13C Signale in unbefruchteten T6-Behandlung bedeuten, dass Nährstoffmangel zu erhöhten &#948;13C Werte geführt haben kann. Ähnlich wie in T4, waren die &#948;13C Signale deutlich höher in Maiskörnern welche von Reihen in der Nähe von Hecken stammen(-10,33 ‰, p&#8804;0.0001) als Proben von Maisreihen die entfernt von Hecken stammen (-10,64 ‰). Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Konkurrenz an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke von Nährstoff statt von Wassermangel angetrieben wurde. Die elektrische Widerstandstomographie(ERT)-Bildgebung unterstützt diesen Befund weiter und zeigt, dass Maismonokultur eine größere Verringerung der Bodenfeuchtemuster zeigt als als Hecken mit Mischfruchtanbau und Düngebehandlung (T4), während Hecken mit Mischfruchtanbau ohne Düngebehandlung (T6) die Bodenfeuchte am wenigsten verringerte. Lichtnutzungseffizienz (LUE) für die oberirdische Biomasseproduktion von Mais war statistisch höher LUEAGB (1,56gDM MJ-1) in Mais und Chili-Mischfruchtanbau (T2) als bei Mais als einziger Feldfrucht LUEAGB(1,23gDM MJ-1). In T4 und T6 zeigten Maisreihen, die in der Nähe von Hecken gepflanzt wurden, niedrigere LUEAGB als Reihen die entfernt von Hecken waren. Das Landäquivalentverhältnis zeigte, dass die Integrierung von Hecken mit Düngerbehandlung in der Behandlung mit Michfruchtanbau die Landnutzung um 21% verbesserten. Das Water, Nutrient and Light Capture in Agroforestry (WaNuLCAS)Model simulierte AGBmitR2 =0,83, RMSE= 6,3, EF=0,82und CD= 1,4 während der Kalibrierung, während die Modellvalidierung auch vielversprechende Ergebnisse mit R2= 0.76,p<0,001,RMSE= 4,6 und EF=0,69 zeigte. Simulationen wiesen auch auf eine wichtige Nährstoffbegrenzung, zwischen Maisreihen in die in der Nähe von Hecken gepflanzt wurden, hin. Simulationen zeigten, dass negative Auswirkungen der Hecken auf Pflanzen durch die Reglung der Düngebehandlung in an Hecken angrenzenden Maisreihen verringert werden können, was zu zu einer erfolgreichen Anwendungvon Agroforstsystemen auf einer langfristigen Basis nicht nur für die Erhaltung der Böden, sondern auch für eine nachhaltige Pflanzenproduktion in tropischen Hochländern führen kann. Die Studie hat den Rahmen ermittelt, mit dem die Bewertung der Konkurrenz beim Ressourcenverbrauch mit der 13C Isotopendiskriminierungsmethode, ERT, Lichtnutzungseffizienz und Modellierungsansätze an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke im Ackerbau von Hanglagen ermittelt werden kann. Die Kombinationvon 13C Isotopendiskriminierung und ERT-Messungen lieferte nützliche Informationen für die Identifizierung von Ursache-Wirkung-Beziehungen. Räumliche LUE Muster ermöglichten Einblickefür Strahlungsabsorption des Bestandes unter verschiedenen Bodenschutzoptionen. Darüber hinaus waren die Lichtnutzungsdaten auch bei der Validierung des WaNuLCAS Modells hilfreich, das nicht nur mehrere Optionen bietet, um die Ressourcennutzungkonkurrenz an der Schnittstelle von Feldfrucht, Boden und Hecke zu bestimmen, sondern auch um Massnahmen zur nachhaltigen Pflanzenproduktion in tropischen Hochland zu testen. Modellszenarien zeigten, dass die negative Auswirkungen von Hecken auf in der Nähe wachsenden Pflanzen durch kleine zusäzliche Düngedosen, die nur auf die, der Hecke nahestehenden Reihen angewendet werden,vermindert werden können, was zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion und verbessertem Bodenschutz führt. Untersuchungen zur Produktivitätder untersuchten Anbausystemen zeigte,dass die Einbeziehung von Hecken und Mischkulturen im Ackerbau von tropischen Hanglagen eine Verbesserung der Pflanzenproduktion verspricht und somit von Landwirten mit Ertragsvorteil übernommen werden kann.