Soil conservation methods and their impact on nitrogen cycling and competition in maize cropping systems on steep slopes in Northwest Vietnam

Abstract

Recent maize cultivation expansion into steep forested uplands in Vietnam led to severe erosion, soil degradation, and strong environmental impacts. Despite effectively controlling erosion, conservation measures often reduce crop yields due to resource competition. To foster uptake of soil conservation, a study including two experiments with bounded plots at two communes - Chieng Hac (21.02° N, 104.37° E, inclination: 53%) and Chieng Khoi (21.02° N, 104.32° E, inclination: 59%) - was carried out over a period of three years (2009-2911). The treatments included maize monocropping under intensive tillage and fertilization (T1, control), maize with Panicum maximum as grass barrier (T2), maize under minimum tillage (MT) with Pinto peanut (Arachis pintoi) as cover crop (T3), and maize under MT and relay cropped with Adzuki beans (Phaseolus calcaratus) (T4). Soil loss in 2010 and 2011 were also measured using sediment fences on unbounded maize fields under current farmers’ practice. The first part of the study assessed the magnitude of erosion and the mitigation potentiality of soil conservation measures. Under farmers’ practice, annual soil losses of bounded plots reached up to 174 t ha-1, being much higher than those from unbounded fields (up to 111 t ha 1). The majority of the soil loss occurred early in the season, when high rainfall intensities coincided with a low percent ground cover (<30%). To keep erosion rates below a tolerable soil loss (3 t/ha/yr) on steep slopes (53-59%) under an average annual rainfall of 1270 mm, a theoretical minimum ground cover of 95% is required at the onset of the crop season which was hardly achievable under monoculture system. Under conservation measures erosion was reduced by 39-84% in grass barriers or by 93-100% in MT with cover crops. A yield decline of 26% was observed in grass barrier treatments or up to 35% of cover crop plots if Pinto peanuts were not cut on time. Both options provided animal feed, up to 5.5 t/ha/yr dry matter of grass or 1.8 t/ha/yr dry matter of Pinto peanuts. Despite these potential benefits, constraints such as labour for grass barriers and cover crop establishment and cutting it afterwards, or difficulties in accessing and collecting maize cobs due to proliferate growth of Adzuki beans may hinder adoption by local farmers. To increase the incentive for adoption, the conservation system also has to use N fertilizer more efficiently. Therefore, the second part of the study examined the fate of applied 15N-labelled urea at the Chieng Hac site in 2010. At harvest, 21.6% of the labelled 15N was recovered by maize in T1, 8.9% in T2, 29% in T3, and 30.9% in T4. In T2, maize and P. maximum competed heavily for N with a total of 23.6% of the applied 15N found in the barriers next to application point. About 46-73% of the maize N uptake was derived from the soil, showing the important role of inherent soil N in these fertilized systems. MT reduced 15N translocation to deeper soil layers (40-80 cm), indicating a safety net function. Downslope translocation (>17 m) of applied 15N was <0.1 kg ha-1 as the majority of 15N added was vertically translocated and intercepted by plants along the slope. Despite implementation of an improved fertilization method, approximately 24-46% of N-fertilizer was unaccounted for, presumably lost via volatilization, denitrification, and leaching below 80 cm. Measured data for plot level showed that current farming practice (T1) induced a negative N balance of -142 kg N ha-1 in which residue burning and erosion were major pathways for N losses. A less severe negative N balance in T2 was attributed to reduced N losses by erosion while positive N balances of MT treatments were accredited to strongly reduced N losses via erosion and abandonment of burning plant residues in these treatments. The third part of the study investigated causes of competition in conservation systems three years after their establishment (2011). A pre-test at Chieng Hac in 2010 showed that abundance of water and the lack of N fertilization induced low grain N concentrations, enriched 15N;13C values in leaves, and reduced maize grain yield. This pattern was also observed in maize rows grown next to grass barriers or in cover crop plots at Chieng Khoi under good water availability conditions, indicating that these yield declines were mainly forced by lack of N. Additionally, a positive water balance throughout the maize cropping season further confirmed that water stress was absent. Moreover, enriched &#61540;15N values of maize rows close to the barriers suggested that these plants had to rely on soil N rather than on 15N derived from fertilizer N. Similarly, results of MT with simultaneous growth of A. pintoi pointed to N competition, resulting in a maize yield decline due to vigorous cover crop growth in T3. In contrast, MT with a relay crop (T4) had a similar maize yield, leaf N concentration, d15N, d13C as the control, suggesting N and water competition did not occur. In conclusion, soil erosion and nitrogen balances of current farming practice showed the urgent need to safeguard land resources, counteracting soil degradation but maintaining crop yields. The tested conservation techniques provide a range of characteristics to be considered as a sustainable system. The grass barrier as well as conservation systems controlled erosion, while minimum tillage with a cover crop further improved the nitrogen balance, and finally minimum tillage with a relay crop adds another advantage in maintaining crop production. Likelihood of adoption, however, may vary with how well appropriate incentives and land use policy fit to the area.

In der jüngsten Vergangenheit hat die Expansion des Maisanbaus in bewaldeten Hanglagen im Hochland Vietnams zu starker Erosion, Bodendegradation und schweren Auswirkungen auf die Umwelt geführt. Trotz effektiver Erosionskontrolle an steilen Hängen, reduzieren die Schutzmaßnahmen, aufgrund von Ressourcenkonkurrenz, häufig die Ernteerträge. Um dies zu fördern, wurde eine Studie mit zwei Experimente, mit geschlossenen Parzellen in zwei Gemeinden - Chieng Hac (21.02° N, 104.37° E, Neigung 53 %) und Chieng Khoi (21.02° N, 104.32° E, Neigung 59 %) - über drei Jahre (2009-2911) durchgeführt. Die Behandlungen beinhalten intensive Bodenbearbeitung und Düngung (T1, Kontrolle), Mais mit Panicum maximum als Grasbarriere (T2), Mais unter Minimalbodenbearbeitung (MT) mit Arachis pintoi als Gründüngung (T3) und Mais unter MT und Überlappungsanbau mit Phaseolus calcaratus (T4). Zusätzliche Vor-Ort-Messungen des Bodenverlusts wurden mit Sedimentzäunen auf nicht eingegrenzten Maisfeldern in 2010 und 2011 durchgeführt. Der erste Teil der Studie untersucht das Ausmaß der Erosion und das Reduzierungspotential durch Bodenschutzmaßnahmen. Unter aktueller bäuerlicher Praxis erreichten die jährlichen Bodenverluste der geschlossenen Parzellen mit bis zu 174 t ha-1 viel höhere Werte als die Parzellen mit Sedimentfallen (bis zu 111 t ha-1). Der Großteil des Bodenverlusts trat früh in der Saison auf, wenn hohe Niederschlagsintensitäten zusammen mit einem geringen Prozentsatz an Bodenbedeckung (<30 %) auftreten. Um die Erosionsraten an steilen Hängen (53-59 %), bei einer durchschnittlichen jährlich Niederschlagsmenge von 1270 mm, unter einem tolerierbaren Bodenverlust (3 t ha-1yr-1) zu halten, ist eine theoretische Mindestbodenbedeckung von 95 % zu Beginn der Anbauzeit erforderlich, was bei Monokulturen schwer erreichbar ist. Unter der Anwendung von Schutzmaßnahmen wurde die Erosion um 39 bis 84 % mit Grasbarrieren und um 93 bis 100 % bei MT mit Gründüngung reduziert. Ein Ertragsrückgang von 26 % wurde bei Behandlungen mit Grasbarrieren und bis zu 35 % bei Gründüngungsparzellen beobachtet, wenn die Pinto-Erdnüsse nicht rechtzeitig zurückgeschnitten wurden. Mit bis zu 5,5 t ha-1 Jahr-1 Grastrockenmasse oder 1,8 t ha-1 Jahr-1 Trockenmasse von Pinto-Erdnüssen, lieferten beide Optionen Futtermittel. Trotz dieser möglichen Vorteile können Hemmnisse, wie der Arbeitsaufwand für die Etablierung von Grasbarrieren oder Gründüngung und der anschließende Schnitt, oder Schwierigkeiten beim Erreichen und Sammeln von Maiskolben, aufgrund starken Wachstums der Adzukibohnen, die Akzeptanz der ansässigen Landwirte erschweren. Um den Anreiz für eine Akzeptanz zu erhöhen, muss ein Bodenschutzsystem auch Stickstoffdünger effizienter nutzen. Im zweiten Teil der Studie wurde daher im Jahr 2010 der Verbleib des verwendeten 15N-markiertem Harnstoff in Chieng Hac untersucht. Bei der Ernte wurden von Mais 21,6 % des markierten 15N in T1, 8,9 % in T2, 29 % in T3 und 30,9 % in T4 aufgenommen. In T2 haben Mais und P. maximum stark um N konkurriert, wobei insgesamt 23,6 % des applizierten 15N in den Barrieren neben dem Applikationsortes gefunden wurden. Etwa 46 bis 73 % des von Mais aufgenommenen Stickstoffs stammte aus dem Boden, was die wichtige Rolle des inhärenten Bodenstickstoffs in solchen gedüngten Systemen zeigt. MT reduzierte die 15N Translokation in tiefere Bodenschichten (40-80 cm), was auf eine Funktion als Sicherheitsnetz hinweist. Die hangabwärts gerichtete Translokation (>17 m) des ausgebrachten 15N war <0,1 kg ha-1, weil die Mehrheit des ausgebrachten 15N vertikal verlagert und von den Pflanzen entlang des Hanges abgefangen wurde. Trotz Umsetzung eines verbesserten Düngeverfahrens, blieben ungefähr 24 bis 46 % des N-Düngers vermisst, was vermutlich auf Volatilisation, Denitrifikation und Auswaschung unter 80 cm zurückzuführen ist. Die Messdaten auf Versuchsfeldebene haben gezeigt, dass die aktuelle landwirtschaftliche Praxis (T1) eine negative N-Bilanz von -142 kg N ha-1 verursacht, bei der die Verbrennung von Ernterückständen und Erosion die wichtigsten Wege für die N-Verluste darstellen. Eine weniger schwerwiegende negative N-Bilanz in T2 wurde auf verringerte erosionsbedingte N-Verluste zurückgeführt, während positive N-Bilanzen der MT-Behandlungen mit stark reduzierten erosionsbedingten Stickstoffverlusten und dem Verzicht auf Verbrennung von Ernterückständen erklärt werden kann. Im dritten Teil der Studie wurden drei Jahre nach Feldetablierung der Versuche (2011) die Ursachen für die Konkurrenz in den Erosionsschutzsystemen untersucht. Ein Vorabtest in Chieng Hac im Jahr 2010 zeigte, dass bei gutem Wasserdargebot und gleichzeitigem Mangel an mineralischer N-Düngung, niedrige N-Konzentrationen in den Maiskörnern, angereicherte d15N;13C Werte in den Blättern und eine Reduktion des Maiskornertrags beobachtet werden konnten. In Chieng Khoi wurde dieses Muster auch in Maisreihen beobachtet, die neben Grasbarrieren oder auf Parzellen mit gleichzeitiger Gründüngung wuchsen, obwohl gute Wasserverfügbarkeitsbedingungen herrschten. Dies weist daraufhin, dass die Ertragsrückgänge vor allem durch einen Mangel an N verursacht wurden. Zusätzlich hat die positive Wasserbilanz, die während der gesamten Maisanbausaison herrschte, bestätigt, dass Wasserstress nicht vorkam. Außerdem deuten die angereicherten d15N;15N Werte in den Maisreihen, welche dicht an den Grasbarrieren stehen, daraufhin, dass diese Pflanzen stark auf die Aufnahme von Bodenstickstoff angewiesen waren anstatt auf den mit 15N markierten Stickstoffdünger. In ähnlicher Weise deuten die Ergebnisse der MT bei gleichzeitigem Wachstum von A. pintoi auf eine N-Konkurrenz hin, was zu in einem vermindertem Maisertrag aufgrund kräftigen Deckpflanzenwachstums in T3 geführt hat. Demgegenüber hatte MT mit gestaffelten Anbau eines Bodenbedeckers (T4) einen ähnlichen Maisertrag, N-Konzentration in den Blättern, d13C und d15N;15N–Werte wie die Kontrolle, was darauf hindeutet, dass keine Konkurrenz um N und Wasser auftrat. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Bodenerosion und Stickstoffbilanzen der gegenwärtigen landwirtschaftlichen Praxis die dringende Notwendigkeit aufzeigen, die Bodenressourcen zu sichern, ihrer Degradation entgegenzuwirken ohne die Ernteerträge zu mindern. Die getesteten Bodenschutztechniken besitzen eine Reihe von Eigenschaften, um als nachhaltige Systeme betrachtet werden. Die Grasbarrieren kontrollierten die Erosion effektiv, während Systeme mit Minimalbodenbearbeitung und Gründüngung bei der Verbesserung der Stickstoffbilanz einen Sprung nach vorne machten. Minimalbodenbearbeitung mit Überlappungsanbau stellt dabei einen weiteren Vorteil bei der Aufrechterhaltung der Pflanzenproduktion dar. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Maßnahmen angenommen werden, hängt jedoch vermutlich davon ab, wie gut eine Förder- und Landnutzungspolitik auf die besonderen Erfordernisse einer Region angepasst ist.