Managing seasonal soil nitrogen dynamics in inland valleys of the West African savanna zone

Abstract

Most cropping systems in the Dry Savanna agro-ecological zone of West Africa qualify as low-input systems. Nitrogen is the most limiting nutrient element and the prevailing low-input systems rely mainly on the provision of native soil N. Depending on environmental conditions and management practices, the process of soil N mineralization not only provides N for crop nutrition but can also entail substantial N losses. Alternate soil drying and wetting cycles and seasonal changes in the rainfall intensity reportedly affect soil N dynamics and nitrate-N can be lost by leaching and denitrification, mainly during the dry-to-wet season transition period (DWT). Besides such temporal dynamics, soil N in the undulating inland valley landscape of West Africa is also subject to spatial fluxes and translocation of water and nitrate along the toposequence. This may exacerbate the intensity of nitrate dynamics in the bottomlands, used for producing rainfed lowland rice. Managing soil native N by avoiding losses during DWT is key for crop productivity in the short-term and to maintain soil fertility in long-term.<br /> Field experiments were conducted in Burkina Faso and Benin in 2013 and 2014 to quantify the intensity and dynamics and to evaluate options for managing seasonal soil nitrate-N in inland valleys of the Dry Savanna zone. In addition, the effects of rainfall intensity and soil tillage were assessed. With the onset of the first rains, mineralization processes lead to an accumulation of nitrate-N ha^-1 in the topsoil of which 10-15 kg were translocated by subsurface flows to the valley bottom wetland. Thus nitrate influxes had little effects on the performance of rice in the valley bottom, indicating the occurrence of substantial N losses. The integration of transition season crops in the lowland could capture and temporarily immobilize soil N, reducing the extractable soil nitrate content to 8-25 from 50-75 kg N ha^-1 in the bare fallow control treatment. Nitrate-catching vegetation effectively reduced the build-up of native soil N_min, thus potentially reducing nitrate-N losses and, upon biomass incorporation, enhanced the productivity of wet season rainfed rice with grain yield increases of 1-2 t ha^-1 above the bare fallow control (1.7 t ha^-1). The extent of such effects strongly depended on soil tillage and rainfall amounts. Thus, soil tillage tended to increase N mineralization and the extent of the nitrate peak during DWT. While a 30% reduced rainfall during DWT increased the nitrate accumulation, the absence of drastic changes in soil aeration status limited apparent nitrate losses. On the other hand, a 30% increased rainfall during DWT lead to a rapid soil saturation and little nitrate remained once the volumetric soil moisture exceeded 25%. The reported finding point to the need for management approaches that contribute to conserve native soil N for enhancing lowland rice production, such as nitrate-catching vegetation during DWT. The targeting of such approaches, however, is highly site specific and their relevance and effectiveness will depend on projected climate change.

<strong>Management der saisonalen Dynamik von Boden-Stickstoff in Inlandtälern der westafrikanischen Savanne</strong><br /> Die meisten Produktionssysteme in der Trockensavanne Westafrikas sind durch geringen Einsatz externer Produktionsmittel gekennzeichnet. Gerade in „low-input“ Systemen ist Stickstoffmangel weit verbreitet und die N-Versorgung der Kulturpflanzen basiert im Wesentlichen auf die Nachlieferung aus Bodenvorräten. Je nach Umweltbedingung und Managementsystem trägt die Mineralisierung von Boden-N aber nicht nur zur Nährstoffversorgung der Kulturen bei, sie kann auch zu erheblichen N-Verlusten führen. Gerade wiederholte Zyklen von Austrocknung und Wiederbefeuchten des Bodens sowie saisonale Schwankungen in Niederschlagsintensität und –verteilung kann nachweislich die Boden-N-Dynamik beeinflussen, vor allem in der Übergangsperiode zwischen Trocken- und Regenzeit. Neben solchen zeitlichen Dynamiken ist Nitrate auch räumlich mobil und führt in der Landschaft von Inlandtälern zu vertikalen wie auch horizontalen Nitrat-Flüssen entlang der Catena, Das Management dieser Nitratdynamik und die Vermeidung von N-Verlusten während der Übergangsperiode ist somit kurzfristig der Schlüssel für steigende Erträge. Feldversuche wurden 2013 und 2014 in Burkina Faso und Benin durchgeführt, um die Intensität und die Dynamik der Boden-N Mineralisierung während der Übergangsperiode zu quantifizieren und Management-Optionen hinsichtlich ihrer Bedeutung zur Verminderung von N-Verlusten und zur Ertragssteigerung von Nassreis vergleichend zu bewerten. Zudem wurde die Bedeutung der Niederschlagsmenge und der Bodenbearbeitung auf die saisonale Boden-N-Dynamik ermittelt.<br /> Mit Einsetzen der ersten Regenfälle konnte eine N Anreichung im Oberboden nachgewiesen werden, wovon 10-15 kg Nitrat-N vom Hang in die Talsohle verlagert wurden, was sich allerdings nicht signifikant im Reisertrag niederschlug. Diese Beobachtung stützt die Vermutung, dass die substantiellen Mengen an Nitrat im saturierten Boden der Talsohle verloren gingen. Der Anbau einer Zwischenfrucht während der Übergangsperiode vermochte Nitrat aufzunehmen, und somit die verfügbare Nitratmenge von etwa 50 kg/ha in der Nacktbrache auf 8-25 kg/ha zu reduzieren. Der Erhalt von Boden-N sowie die zusätzliche Zufuhr von atmosphärischen N2 über die Stickstoffbindung vermochte die Reiskornerträge um 1-2 t/ha über die Kontrollparzelle zu erhöhen. Das Ausmaß solcher Effekte differierte allerdings in Abhängigkeit der Niederschlagsmenge sowie der Art der Bodenbearbeitung. Eine wendende Bodenbearbeitung stimulierte die N-Mineralisierung am Hang und erhöhte somit die lateralen Einträge von Nitrat in die Talsohle. Eine 30%ige Verminderung der Niederschlagsmenge während der Übergangsperiode erhöhte die Nitrat-Anreicherung im Oberboden, reduzierte aber Nitratverluste. Umgekehrt erhöhte eine 30%ige Erhöhung der Niederschläge die Nitrat-Verluste drastisch. Die vorgelegten Ergebnisse unterstreichen den Bedarf für ein verbessertes Management des Boden-N, speziell in der kritischen Übergangsphase zwischen Trocken- und Regenzeit. Der Anbau von Zwischenfrüchten vermochte so Boden-N zu konservieren und Reiserträge nachweislich zu steigern. Die Relevanz und die Effektivität solcher Ansätze hängt im Wesentlichen vom der Intensität des Wechsels der Bodenbelüftung ab und ist somit hochgradig Standort-spezifisch. Die künftige Entwicklung des Klimawandels wird folglich entscheidend für die Ausweisung von Extrapolations-Domänen der Technologie-Optionen sein.