Allelochemical effects of aromatic species intercropped with coffee (Coffea arabica L.) in Puebla, Mexico

Abstract

Over 30 million coffee growers all over the world face starvation due to low international coffee prices. The impact is very acute in Latin America, which accounts nearly 65% of world coffee production. The current crisis seems to be shaped by changes in consumer preferences as well as low production phenomenon due to caffeine accumulation in coffee plantation soils as a result of decades of monoculture. To turn the present crisis around, a successful strategy for agricultural diversification is required. In response to the crisis, some coffee growers have begun to diversify their coffee plantations with intercalated cultivations of aromatic plants. Herbs are profitable crops and adaptable to the environmental conditions of coffee regions. Due to the complexity of the natural interaction under intercropped systems and the potential allelopathic effects between coffee and aromatic herbs, some questions need to be clarified before this alternative production system can be recommended to growers. Accumulation of caffeine in a soluble form in the soil is regarded as one reason for “low production” and degeneration by auto toxicity of coffee plantations. The use of aromatic species with the ability to take-up and accumulate caffeine may be a way to diminish the toxic levels of this alkaloid and increase coffee production. In this present study, the potential uptake of caffeine by spearmint (Mentha piperita L.), basil (Ocimum basilicum L.), sage (Salvia officinalis L.), and oregano (Origanum vulgare L.) and the allelopathic effects of these herbs on physiological parameters in coffee (Coffea arabica L.) were investigated. Two ecological conditions in rural area of Puebla State, Mexico (2004-2005), as well as laboratory bioassays in Bonn, Germany (2006) were evaluated, to validate the hypothesis that intercropping herbs in coffee production systems is a possibility to attenuate the coffee crisis while positively stimulating coffee plant growth and cup quality, diminishing caffeine content in the soil. To summarize the results: 1. Intercropping sage, spearmint, basil and oregano stimulate the plagiotropic growth of Coffea arabica plants most effectively in young production systems by still unknown mechanisms. 2. Volatiles from essential oils induce stomata opening in coffee leaves, which may have a positive influence on the CO₂ fixation and increase of photosynthetic activity when no limiting factors are present. 3. Aromatic species, principally sage and oregano absorb caffeine and can contribute to a diminishing of the caffeine contamination of the soil. 4. Cup quality is improved with spearmint, basil and sage as intercrops, but mechanisms of action are unknown and further research remains to be done. 5. Finally coffee growers can stabilize their income situation and their social condition by offering aromatic plants to the local markets produced during the no-harvest period of coffee (April –November) in between coffee rows.

<b>Allelochemische Einflüsse von Gewürzpflanzen im Zwischenanbau mit Kaffee (Coffea arabica L.) in Puebla, Mexiko</b><br /> Heute leiden mehr als 30 Millionen Kaffeeanbauer unter dem niedrigen Weltmarktpreis. Besonders hart trifft es die Kaffeeanbauer in Lateinamerika, die etwa 65 Prozent des Weltaufkommens erzeugen. Diese Krise basiert besonders auf veränderten Konsumgewohnheiten und wird verschärft durch geringe Erträge, die auch durch die jahrzehntelange Monokultur von Kaffee und damit verbundene Koffeinanreicherungen im Boden verbunden ist. Eine Lösung der Krise wird besonders unter Einbeziehung neuer Strategien zur nachhaltigen Diversifizierung traditioneller Kaffeeanbauregionen mit standortspezifischen neuen Kulturen angestrebt. Der Zwischenanbau von Gewürzen in bestehenden Kaffeepflanzungen wurde empirisch von einigen Kaffeeproduzenten in verschiedenen Ländern begonnen. Dazu wurden standortsbezogen geeignete, hochprofitable Gewürzpflanzenarten ausgewählt. Die Komplexität natürlicher Wechselwirkungen von Gewürzpflanzen im Zwischenanbau mit Kaffee und das Potenzial allelopathischer Effekte zwischen Kaffee und Gewürzpflanzen sind bisher nicht umfassend geklärt und müssen vor der weiteren Anbauausdehnung wissenschaftlich bearbeitet und geklärt werden. Allgemein bekannt ist die Anreicherung löslicher Formen von Koffein im Boden und damit ausgelöste Ertragsminderungen durch die Degeneration der Kaffeepflanzen basierend auf autotoxischen Einflüssen. Die bewusste Nutzung von Gewürzpflanzenarten zur Minderung von Koffeingehalten im Boden durch die Aufnahme dieses Alkaloids könnte eine interessante Lösungsvariante darstellen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem spezifischen Aufnahmevermögen von Koffein durch Pfefferminze (Mentha piperita L.), Basilikum (Ocimum basilicum L.), Salbei (Salvia officinalis L.), und Oreganum (Origanum vulgare L.) und den allelopathischen Effekten dieser Pflanzenarten auf physiologische Parameter von Coffea arabica. Die Versuche wurden auf zwei Kaffeestandorten in Puebla, Mexiko (2004-2005), und unter Laborbedingungen an der Universität Bonn (2006) durchgeführt, um die Hypothese zu prüfen, dass Gewürzpflanzenarten im Zwischenanbau mit Kaffee in der Lage sind, diese aufgrund der Verminderung des Koffeingehaltes im Boden in ihren wachstums- und ertragsbildenden Parametern zu stimulieren und die Kaffeequalität zu verbessern. Zusammenfassend kann festgestellt werden: 1. Zwischenkulturen mit Salbei, Pfefferminze, Basilikum und Origanum stimulieren das Wachstum plagiotroper Zweige von C. arabica besonders in Jungpflanzungen, ohne bisher diese Mechanismen bestimmen zu können; 2. Die Applikation von essentiellen Ölen dieser Pflanzenarten bewirken die Öffnung von Stomatazellen der Kaffeeblätter und haben positiven Einfluss auf die CO₂ -Bindung und photosynthetische Aktivitäten, wenn keine limitierenden Faktoren existieren; 3. Gewürzpflanzen, insbesondere Salbei und Origanum absorbieren Koffein und können zu deren Abbau im Boden beitragen; 4. Die Tassenqualität von Kaffee wird verbessert durch den Zwischenanbau von Pfefferminze, Basilikum und Salbei, ohne dass die speziellen Mechanismen dafür geklärt werden konnten; 5. Das wirtschaftliche Einkommen von Kaffeeproduzenten lässt sich durch Zwischenkultur von Gewürzpflanzen in der ertragsfreien Kaffeeperiode (April bis November) verbessern.