Nitrogen dynamics in organic and conventional farming systems in the sub-humid highlands of central Kenya

Abstract

Nitrogen (N) deficit is one of the limiting factors to food security in most developing countries while the excessive use of N has resulted in environmental contamination. Timely N availability, at the right rate is crucial to improving crop yield and N use efficiency in farming systems. Therefore, understanding nitrogen dynamics under different farming systems is essential to improve N use and recovery efficiencies of crops and in addressing environmental impacts associated with increased use of inorganic and organic inputs. This study focused on N dynamics in conventional (Conv) and organic (Org) farming systems as practiced by small scale farmers (at ∼50 kg N ha−1yr−1, Low input) and at recommended levels of input (∼225 kg N ha−1yr−1, High input) for commercial use in the sub humid and humid regions of Central Kenya. Data was collected during three cropping seasons between October 2012 and March 2014 in an on-going long-term trial established since 2007 at Chuka and at Thika sites located in central highlands of Kenya. Mineral N-based fertilizer and cattle manure were applied in Conv-High and Conv-Low while composts and other organic inputs were applied at similar N rates for Org-High and Org-Low. Farming systems were laid down in a randomized complete block design with 4 and 5 replications at Chuka and Thika respectively. The trial follows a 2 season-three-year crop rotation envisaging maize, legumes, vegetables and potatoes. N mineralization was studied using a modified buried bag approach while N loss was measured using Self-Integrating Accumulator (SIA) cores. N synchrony was assessed using daily N flux differences constructed as daily N release minus daily N uptake at different stages of the crops. N uptake was assessed at various stages of the crop through destructive sampling while nitrogen use efficiency (NUE) was assessed at harvest. Surface N balances were constructed using N applied as inputs, N deposition via rainfall, biological N fixation and crop yield and biomass as outputs. Out of the total N applied from inputs, only 61, 43 and 71 % was released during potato, maize and vegetable seasons respectively. Farming systems did not show a major impact in their influence on N synchrony, i.e. matching N supply to meet N demand. Rather the N synchrony varied with crop and N demand stages. Positive N flux differences were observed (higher N release compared to N demand) during the initial 20-30 days of incubation for all the farming systems, and negative N flux differences (higher N demand than release) at reproductive stages of the crops. Nitrogen uptake efficiency (NUpE) of potato was highest in Conv-Low and Org-Low at Thika and lowest in Org-High and Org-Low at Chuka where late blight disease affected potato performance. In contrast, NUpE of maize was similar in all systems at Chuka site, but was significantly higher in Conv-High and Org-High compared to the low input systems at Thika site. The NUpE of cabbage was similar in Conv-High and Org-High while the NUpE of kale and Swiss chard were similar in the low input systems. Potato N utilization efficiencies (NUtE) and agronomic efficiencies of N use (AEN) in Conv-Low and Conv-High were higher than those from Org-Low and Org-High, respectively. The AEN of maize was similar in all the systems at Chuka but was higher in the high input systems compared to the low input systems at the site in Thika. The AEN of vegetables under conventional systems were similar to those from organic systems. Both conventional and organic systems lost substantial amounts of mineral-N into lower soil horizons before crop establishment (0-26 days). Cumulative NO3--N leached below 1 m was similar in all the farming systems but was higher at the more humid Chuka site compared to Thika site during the maize season. Significantly more N was leached during potato season compared to maize and vegetable seasons. When NO3--N leached was expressed over total N applied, 63-68% more NO3--N was leached from the low input systems compared to the high input systems. Org-High showed a positive partial N balance at both sites and in all the cropping systems except during the vegetable season at Chuka. All the other systems exhibited negative partial N balances for the three cropping seasons with exception of Conv-High during potato season and Conv-Low and Org-Low during vegetable season at Thika site. In summary, organic and conventional had similar effects on N release, synchrony and N loss through leaching. Furthermore, more N was leached (when expressed as a fraction of N applied) during potato and vegetables cropping seasons in the low input systems compared to the high input systems. In addition, conventional and organic farming systems had similar effects on NUpE, AEN, NUtE and NHI for maize and vegetables, while conventional systems improved NUE of potato compared to organic systems. The research therefore concludes that organic and conventional farming systems at high input level are viable options of increasing food security in sub-Saharan Africa (SSA) for maize and vegetables as demonstrated by similar yields, NUE, N supply and loss. Ability to meet food security in conventional and organic system at low input is hampered by high N losses, negative N balances coupled with low productivity due to biotic and abiotic stresses. In both conventional and organic systems, there is a need to reduce N application at planting and increase N applied at reproductive stages to minimize potential loss during the initial 20-30 days after application and improve N supply midseason when crop demand is high. Since organic systems depend on organic inputs, there is a critical need to improve the quality of manure, composts and other organic inputs to improve N supply and availability.

Stickstoff-(N)-Mangel für Kulturpflanzen ist einer der limitierenden Faktoren für die Ernährungssicherheit in den meisten Entwicklungsländern, wohingegen die übermäßige Verwendung von N zu einer Umweltverschmutzung geführt hat. Eine rechtzeitige N-Verfügbarkeit ist entscheidend für die Verbesserung der Ernteerträge und der N-Nutzungseffizienz in der Landwirtschaft. Daher ist ein besseres Verständnis der Stickstoffdynamik unter verschiedenen Produktionssystemen unerlässlich, um die N-Nutzung und die N-Rückgewinnungseffizienz von Nutzpflanzen zu verbessern und die Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit der verstärkten Nutzung anorganischer und organischer Betriebsmittel zu verringern. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der N-Dynamik in konventionellen (Conv) und ökologischen (Org) Produktionssystemen, wie sie von Kleinbauern (~50 kg N ha-1 yr-1, Low Input) oder mit den empfohlenen Nährstoffwerten für den kommerziellen Einsatz (∼225 kg N ha−1 yr−1, High Input) in den subhumiden und humiden Regionen Zentralkenias praktiziert werden. Die vorliegenden Daten wurden während drei Vegetationsperioden zwischen Oktober 2012 und März 2014 in einem seit 2007 laufenden Langzeitversuch an den Standorten Chuka und Thika im Zentralen Hochland Kenias erhoben. In den Produktionssystemen Conv-High und Conv-Low wurden N-basierte Mineraldünger und Rindermist eingesetzt, wohingegen in Org-High und Org-Low Kompost und andere organische Düngemittel mit ähnlichen N-Mengen eingesetzt wurden. Die Anbausysteme wurden in einem komplett randomisierten Blockdesign mit 4 bzw. 5 Replikationen in Chuka und Thika angelegt. Der Versuch folgt einer dreijährigen Fruchtfolge, die Mais, Hülsenfrüchte, Gemüse und Kartoffeln beinhaltet. Die N-Mineralisierung wurde mithilfe eines modifizierten ‘Buried-Bag’-Ansatzes ermittelt, während der N-Verlust mit Hilfe von Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) gemessen wurde. Die N-Synchronität wurde anhand der Differenz der täglichen mineralischen N-Freisetzung minus der N-Pflanzenaufnahme in verschiedenen Wachstumsstadien errechnet. Die Dynamik der N-Aufnahme während verschiedener Kulturstadien wurde durch destruktive Probenahme ermittelt, während die Effizienz der Stickstoffnutzung (NUE) zum Zeitpunkt der Ernte bewertet wurde. Partielle N-Bilanzen wurden anhand des ausgebrachten N, sowie dem Verlust durch die pflanzliche Biomasse berechnet. Von dem insgesamt zugeführten organischem N wurden 61, 43 und 71 % während der Kartoffel-, Mais- und Gemüsesaison freigesetzt. Die landwirtschaftlichen Produktionssysteme hatten keinen unterschiedlichen Einfluss auf die N-Synchronität, d.h. die Anpassung des N-Angebots an die N-Nachfrage. Vielmehr variierte die N-Synchronität mit den Kulturstadien und der N-Nachfrage. Es wurden positive Differenzen des N-Fluxes (höhere N-Freisetzung im Vergleich zum N-Bedarf) während der ersten 20-30 Tage der Inkubation und negative Differenzen des N-Fluxes (N-Bedarf höher als Freisetzung) in den Reproduktionsstadien der Kulturen für alle Produktionssystemen beobachtet. Die Stickstoffaufnahmeeffizienz (NUpE) der Kartoffel war am höchsten in den Produktionssystemen Conv-Low und Org-Low in Thika und am niedrigsten in Org-High und Org-Low in Chuka, wo die Krautfäule die Kartoffelproduktion beeinträchtigte. Die NUpE von Mais war in allen Systemen am Standort Chuka gleich, während sie in Thika für die High-Input-Systemen höher war als in den Low-Input-Systemen. Die NUpE von Weiẞkohl war in High-Input-Systemen gleich, wiederum war die NUpE von Grünkohl und Mangold nur in den Low-Input-Systemen gleich. Die N-Nutzungseffizienz der Kartoffel (NUtE) und die agronomische Effizienz der N-Nutzung (AEN) in den Produktionssystemen Conv-Low und Conv-High waren höher als die in Org-Low bzw. Org-High. Die AEN von Mais war in allen Systemen in Chuka vergleichbar, war aber in den High-Input-Systemen höher als in den Low-Input-Systemen in Thika. Die AEN von Gemüse in den konventionellen Produktionssystemen war vergleichbar mit denen aus ökologischen Systemen. Sowohl konventionelle als auch organische Produktionssysteme verloren erhebliche Mengen an mineralischen N in die unteren Bodenhorizonte bereits vor dem Auflaufen der Kulturen (0-26 Tage). Die kumulative Nitrat-N Auswaschung unter 1 m war in allen Anbausystemen gleich, lag aber am feuchteren Standort Chuka höher als am Standort Thika während der Maissaison. Deutlich mehr N wurde in der Kartoffelsaison ausgewaschen als in der Mais- und Gemüsesaison. Wenn das ausgewaschene Nitrat-N im Verhältnis zur eingesetzten Gesamtmenge N ausgedrückt wurde, wurden 63-68 % mehr Nitrat aus den Low-Input-Systemen ausgewaschen als aus den High-Input-Systemen. Org-High zeigte eine positive partielle N-Bilanz an beiden Standorten und in allen Produktionssystemen mit Ausnahme der Gemüsesaison in Chuka. Alle anderen Systeme wiesen für die drei Vegetationsperioden mit Ausnahme von Conv-High während der Kartoffelsaison und Conv-Low und Org-Low während der Gemüsesaison am Standort Thika negative partielle N-Bilanzen auf. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ökologische und konventionelle Produktionssysteme ähnliche Auswirkungen auf die N-Freisetzung, die Synchronität und den N-Verlust durch Auswaschung hatten. Darüber hinaus wurde während der Kartoffel- und Gemüsesaison in den Low-Input-Systemen relative mehr N ausgewaschen (ausgedrückt als Anteil des eingesetzten N) als in den High-Input-Systemen. Zudem hatten konventionelle und ökologische Produktionssysteme ähnliche Auswirkungen auf NUpE, AEN, NUtE und NHI für Mais und Gemüse, während konventionelle Systeme die NUE von Kartoffeln im Vergleich zu ökologischen Systemen verbesserten. Die Studie kommt daher zu dem Schluss, dass ökologische und konventionelle Anbausysteme auf hohem Inputniveau für Mais und Gemüse eine tragfähige Option zur Erhöhung der Ernährungssicherheit in Subsahara-Afrika (SSA) sind, wie ähnliche Erträge, NUE, N-Versorgung und Verluste zeigen. Die Fähigkeit, die Ernährungssicherheit im konventionellen und ökologischen System mit niedrigem Input zu gewährleisten, wird durch hohe N-Verluste, negative N-Bilanzen und geringe Produktivität aufgrund biotischer und abiotischer Belastungen eingeschränkt. Sowohl in konventionellen als auch in ökologischen Produktionssystemen besteht die Notwendigkeit, den Einsatz von N bei der Aussaat zu verringern und andererseits die N-Düngung in der reproduktiven Phase zu erhöhen, um die potenziellen Verluste während der ersten 20-30 Tage nach der Aussaat zu minimieren und das N-Angebot in der Hauptwachstumsphase zu verbessern. Da ökologische Produktionssysteme von organischen Inputs abhängen, ist es dringend notwendig, die Qualität von Mist, Kompost und anderen organischen Inputs zu verbessern, um die N-Versorgung und Verfügbarkeit zu verbessern.