Conservation tillage in Kenya

Abstract

Appropriate soil management is important for improved ecosystem functioning and high crop production. This study investigates how different tillage [reduced tillage (RT) and conventional tillage (CT)], crop residue (plus and minus crop residue) and cropping systems (soybean-maize intercropping, rotation and continuous maize) affected (i) soil aggregation, (ii) composition and diversity of microbial populations, (iii) crop residue (CR) disappearance and termite activity, (iv) nitrogen fixation and (v) crop productivity in Kenya. The main experiment in Nyabeda (western Kenya) had been established in 2003, while experiments in Matayos (western Kenya) and Machang’a (eastern Kenya) were established in 2005. Soybean-maize intercropping improved macroaggregation and reduced microaggregates and free silt and clay (P<0.05) compared with the other cropping systems. The proportion of soil large macroaggregates was 30% to 89% higher in RT than in CT, depending on depth. Addition of CR affected (P<0.05) soil aggregation mainly at the top 5 cm; it increased the large macroaggregates (by up to 180%) in the soybean-maize intercropping systems. <br /> The composition of both bacteria and fungi communities was markedly different in the two tillage systems. With CR application, Simpson’s indices of fungi were in the order intercropping >rotation >continuous maize. In addition, intercropping had highest bacteria diversity indices in the Nyabeda site. CR affected bacteria composition (e.g, in Matayos) and lowered diversity of soil fungi (P<0.01); fungi Simpson’s index was 0.75 for plots without and 0.65 for plots with crop residue. Bacteria diversity was inversely related to silt and clay. Fungi diversity (Simpson’s index <0.7) was highly inversely related with aggregate mean weight diameter and with soil hot water-extractable carbon. <br /> CR disappearance was up to 85% of the initial residue in 3.5 months, and the relative contribution of macro- and mesofauna to residue disappearance was 70-95% for surface-placed and 30-70% for buried residues. Soil of termite galleries (mainly sheetings) was more enriched in carbon (1.6%) than bulk farm soil (1.4%) and mound soil (1.2%; P<0.01); gallery soil and bulk farm soil had similar aggregates sizes but the values were lower (22-56% for >250<2000 µm aggregates; P<0.05) than for mound soil. <br /> Soybean nitrogen derived from the atmosphere (%NDfA) ranged from 42-65%; it was higher (P<0.05) in RT (55.6%) than in CT (48.2%). Nitrogen fixed seasonally in soybean aboveground plant parts was 26-48 kg N ha-1 with intercropping and 53-82 kg N ha-1 with rotation. Seasonal litter-fall contained about 15 kg N ha-1. Total fixed N under RT plus CR was at least 55% and 34% higher than in the other treatments (RT minus CR, CT plus CR, and CT minus CR) in intercropping and rotation systems, respectively.<br /> Seasonal average maize grain yields were 3.2-4.1 t ha^-1 in continuous maize, 3.0-3.9 t ha^-1 in soybean-maize rotation, and 1.8-2.8 t ha^-1 in the soybean-maize intercropping system. Soybean grain yields were 0.92-0.99 t ha-1 in the soybean-maize rotation and 0.52-0.60 t ha-1 in the intercropping system. The net benefits were highest in the soybean-maize intercropping, followed by rotation > continuous maize. Soybean yields were similar between CT and RT; maize yields were lower (P<0.05) in RT than CT. Overall net benefits for the 9 seasons were higher in CT than in RT. <br /> We conclude that (i) despite fast disappearance of CR, its application increases soil aggregation and influences microbial composition and diversity and nitrogen fixation; (ii) for Ferralsols of western Kenya, combining RT and CR is important for improved soil structural stability and, intercropping maize and legume (soybean) leads to better soil structure and also gives higher net benefits than conventional rotation and continuous maize systems; and (iii) RT is appropriate for soybean production; maize yields are lower in RT than in CT due to surface crusing in the RT resulting from inadequate soil cover.

<strong>Ressourcenschonende Landwirtschaft in Kenia : Die ihre Effektivität beeinflussenden biophysikalischen Prozesse</strong><br /> Eine richtige Bodenbearbeitung ist wichtig für die verbesserte Funktion von Ökosystemen und für hohe landwirtschaftliche Erträge. Diese Studie untersucht den Einfluss verschiedener Bodenbearbeitungsmethoden [reduzierte Bodenbearbeitung (<i>reduced tillage</i>; RT) und konventionelle Bodenbearbeitung (<i>conventional tillage</i>; CT)], Ernterückstände (mit und ohne Rückstände) und Anbausysteme (Sojabohnen-Mais Mischkultur, Rotation und fortlaufender Maisanbau) auf (i) Bodenaggregation, (ii) Zusammensetzung und Diversität von Bodenmikrobengemeinschaften, (iii) Verschwinden von Ernterückständen (<i>crop residue</i>; CR) und Aktivität von Termiten, (iv) Stickstofffixierung (N) und (v) landwirtschaftliche Produktivität in Kenia. Die Hauptuntersuchungsfläche in Nyabeda (Westkenia) bestand seit 2003, während die Untersuchungen in Matayos (Westkenia) und Machang’a (Ostkenia) in 2005 begonnen wurden. Mit Sojabohnen-Mais-Zwischenpflanzung verbesserte sich die Makrostruktur des Bodens, während die Mikrostruktur und freier Schluff bzw. Ton (P<0.05) reduziert waren im Vergleich zu den anderen Anbausystemen. Abhängig von der Bodentiefe war der Anteil der groben Bodenstruktur 30% bis 89% höher bei RT als bei CT. Der Zusatz von Pflanzenrückständen beeinflusste (P<0.05) die Bodenstruktur hauptsächlich in den oberen 5 cm; der Anteil der groben Bodenstruktur nahm bis zu 180% bei Sojabohnen-Mais- Zwischenpflanzung zu.<br /> Die Zusammensetzung sowohl der Bakterien- als auch der Pilzgemeinschaften unterschied sich deutlich in den beiden anderen Systemen. Die Simpson-Indices der Pilze sanken mit Anwendung von Pflanzenrückständen in der Folge Zwischenpflanzung >Rotation >ununterbrochener Maisanbau, und Zwischenpflanzung zeigte die höchsten Bakteriendiversitätindices am Standort in Nyabeda. Pflanzenrückstände beeinflussten die Bakterienzusammensetzung (z.B. in Matayos) und reduzierten die Diversität von Bodenpilzen (P<0.01); der Simpson-Index war 0.75 für Flächen ohne bzw. 0.65 für Flächen mit Rückständen. Bakterielle Diversität war umgekehrt proportional zu Schluff und Ton. Pilzdiversität (Simpson- index <0.7) war stark umgekehrt proportional zum Durchmesser des mittleren Gewichts der Bodenstrukturanteile und zum mit heißem Wasser extrahiertem Kohlenstoff.<br /> Bis zu 85% der ursprünglichen Pflanzenrückstände verschwand in 3.5 Monaten und der relative Beitrag der Makro-bzw. Mesofauna hierzu war 70-95% für oberflächlich ausgebrachte bzw. 30-70% für eingearbeitete Rückstände. Der Boden der Termitengalerien (hauptsächlich überbaute Laufwege) enthielt mehr Kohlenstoff (1.6%) als Farmboden (1.4%) und Bodenmaterial in Termitenhügeln (1.2%; P<0.01); die Größe der Aggregate in Farmboden und Galerien war ähnlich, aber niedriger (22-56% für >250<2000 μm Aggregate; P<0.05) als die des Bodenmaterials in Termitenhügeln.<br /> Sojabohnenstickstoff aus der Atmosphäre (%NDfA) war höher (P<0.05) bei RT (55.6%) als bei CT (48.2%). Jahreszeitlich abhängige Streu enthielt ca. 15 kg N ha^-1. Gesamtfixierter Stickstoff bei RT plus CR war mindestens 55% bzw. 34% höher als bei den anderen Bodenbehandlungen (RT minus CR, CT plus CR, bzw. CT minus CR) in den Zwischenpflanzungs- bzw. Rotationssystemen.<br /> Die jahreszeitlich abhängigen durchschnittlichen Sojabohnenerträge waren ähnlich bei CT und RT; Maiserträge waren niedriger (P<0.05) bei RT als bei CT. Der gesamte Nettonutzen für die 9 Jahreszeiten war höher bei CT als bei RT. Die Nettonutzen waren am höchsten bei der Sojabohnen-Mais-Zwischenpflanzung gefolgt von Rotation > ununterbrochener Maisanbau.<br /> Es kann daher davon ausgegangen werden, dass (i) trotz des vollständigen Verschwindens, Pflanzenrückstände die Bodenaggregation erhöhen und die Zusammensetzung und Diversität der Bodenmikroben sowie die Stickstofffixierung beeinflussen; (ii) für die Ferralsols von Westkenia die Kombination von RT und Pflanzenrückständen wichtig ist für eine verbesserte strukturelle Stabilität der Böden, während Zwischenpflanzung von Mais und Hülsenfrüchten (Sojabohnen) zu einer verbesserten Bodenstruktur und auch zu höheren Nettonutzen im Vergleich zur konventionelle Rotation bzw. zu ununterbrochenem Maisanbau führen, und (iii) RT richtig ist für die Sojabohnenproduktion; Maiserträge sind niedriger bei RT als bei CT durch die Oberflächenverkrustung bei RT wegen der unzureichenden Bodenbedeckung.