Productivity and water use efficiency of important crops in the Upper Oueme Catchment : influence of nutrient limitations, nutrient balances and soil fertility

The Upper Oueme catchment in the West African subhumid zone is a region in Northern Benin, which actually experiences major changes in land use, water availability, and population density. In the context of the IMPETUS project, the present work aimed to i) identify nutrients which are limiting productivity on the basis of soil and plant analysis, ii) compare effects of fertilizer application nutrition to current farmer’s practice, iii) determine the water consumption per unit of biomass (maize) and per unit of area, and iv) assess (simplified) nutrient balances to predict longterm trends of nutrient availability and soil productivity. Field experiments were carried out in 2001 and 2002 using a randomized complete block design with four treatments, 2001: n = 80, 2002: n = 109) at three sites: Beterou, Dogue, and Wewe. Soils of the sites had low fertility and were PLENTOSOL and Ferric-Profondic LUVI-SOL in Beterou, PLENTOSOL and LIXISOL in Dogue and ACRISOL or Plenthic-LIXISOL in Wewe. Treatments were: T0: farmer’s practice or plots without mineral or organic fertilizer applied with exception of cotton, where farmers applied fertilizers as usual; T1M: 10 t ha-1crop residues; T1F: 10 t ha-1 of farmyard manure in 2001; T2: mineral fertilizer at the rates recommended; T3M: mineral fertilizer as applied in T2 + 10 t ha-1 of crop residues for mulch in 2001 and 2002, while for T3F mineral fertilizer was applied as in T2 + 10 t ha-1 of farmyard manure. Residual effects of manure application were evaluated without further OM application. Soil samples were taken before and at the end of the experiment to appreciate the nutritional status of plots. Leaves were sampled at critical stages for plant for nutrient assessment through critical Value Method CVM and Diagnosis and Recommendation Integrated System (DRIS). Yield (DM) of all the crops, their total biomass and harvest index were evaluated at harvest. A partial nutrient balance was calculated on the basis of tissue and product analysis for a high and a low – yielding subgroups. Actual evapotranspiration was estimated by gravimetry, humidimetry and tensiometry for water use efficiency (WUE) of maize in Dogue in 2002. Rainfall during the crop growth was used to calculate rainfall use efficiency (RUE). Water or rainfall use efficiency was determined as the ratio between above ground biomass and rainfall for RUE or actual evapotranspiration for WUE. Crop productivities were significantly affected by farmer’s practice and the type of organic matter applied. Organic or mineral fertilizer or the combination of both increased crop productivities, RUE and WUE of maize although a relatively high variability was observed between individual plots and farmers. Nitrogen was the most limiting nutrient followed by potassium and phosphorous according to DRIS-Evaluation while the CVM method revealed most of the macronutrients as low or close to the critical level. However, only the nutritional imbalance index of maize decreased from 2001 to 2002. Standard nutrient levels and reasonable DRIS norms were established for N, P, K, Ca, Mg, S, Zn, Mn of maize, sorghum, cotton, yam and groundnut. They can be used to evaluate crop nutritional status, to correct nutritional imbalances and to improve crop productivities. They can also be used as a basis for calibrating the fertilization programs for these crops. Negative nutrient balances were observed, as inputs of nutrients were insufficient to compensate outputs. The strategies to compensate the nutrient gap are to increase the recycling of residues, to increase the application of manure, or introduce fertilizers or a combination of all three. Actual farmers' practices in maize, sorghum, groundnut and yam cropping systems lead to depletion in soil nutrient levels, as there is actually almost no return of nutrients to the fields and mineral fertilizer are only rarely applied. When calculating the balance for a typical yam-cotton-maize-groundnut-sorghum rotation, the nutrient balances are negative by 177 kg ha-1 N, 33 kg ha-1 P and 163 kg ha-1 K. This leads to nutrient depletion (as actually found in the project area) and not sustains adequate yields. The only desirable scenario could be the practice of integrated soil fertility management where mineral and organic fertilizers are combined. Here, one should as well take into account crop rotations with legumes to optimize nitrogen fixation, mineral fertilizer, and efficient management of crop residues. Management methods that limit nutrient losses and increase water use efficiency are some of the approaches that will be used to improve and sustain soil fertility and conversely to enhance crop production and in Upper Oueme Catchment.Produktivität und Wassernutzungseffizienz wichtiger Kulterpflanzen im oberen Ouémé Einzugsgebiet, Benin: Nährstoffmängel, Nährstoffbilanzen, Bodenfruchtbarkeit Das im subhumiden Westafrika gelegene obere Einzugsgebiet des Ouémé in Nordbenin unterliegt gegenwärtig starken Veränderungen der Landnutzung, der Wasserverfügbarkeit und der Bevölkerungsdichte. Ziele der vorliegenden Arbeit im Rahmen des IMPETUS-Projektes sind (i) die Identifizierung limitierender Nährstoffe für die pflanzliche Produktivität mit Hilfe von Boden- und Pflanzenanalysen, (ii) der Vergleich der Erträge bei aktueller Bewirtschaftung und bei veränderter Düngung (iii) die Bestimmung des Wasserverbrauchs bezogen auf die Biomasse (Mais) und auf die Fläche, (iv) die Erstellung (einfacher) Nährstoffbilanzen zur Vorhersage langfristiger Entwicklungen der Nährstoffverfügbarkeit und der Bodenproduktivität. In den Jahren 2001 und 2002 wurden an den drei Standorten Beterou, Dogue und Wewe vollständig randomisierte Feldversuche mit vier Behandlungsvarianten durchgeführt (2001: n= 80, 2002: n=109). Alle Böden waren nährstoffarm (Plentosol und eisenreicher Luvisol in Beterou, Plentosol und Lixisol in Dogue, Acrisol bzw. Plenthic-Lixisol in Wewe). Die Behandlungen waren: T0: aktuelle Bewirtschaftung, d.h. Mineraldüngereinsatz bei Baumwolle, andere Kulturen ohne Verwendung jeglichen Düngers; T1M: 10 t ha-1 Pflanzenrückstände; T1F: 10 t ha-1 Stalldünger; T2: Mineraldünger nach Düngungsempfehlung; T3M: Mineraldünger wie in T2 + 10 t ha-1 Pflanzenrückstände als Mulch in 2001 und 2002, T3F: Mineraldünger wie in T2 + 10 t ha-1 Stalldünger. Residualeffekte der Stalldüngeranwendung wurden ohne weitere Verwendung organischen Düngers untersucht. Die Nährstoffausstattung der Versuchsflächen vor Beginn und nach Ende des Experiments wurde anhand von Bodenanalysen untersucht. Die während wichtiger Phasen der Pflanzenentwicklung genommenen Blattproben wurden anhand der CVM- (Critical Value Method) und der DRIS-(Diagnosis and Recommendation Integrated System) Methode bewertet. Die Erträge aller untersuchten Kulturen, ihre Gesamtbiomasse sowie der Ernteindex wurden bestimmt. Für je eine Hochertrags- und Niedrigertragsfläche wurde eine Teilnährstoffbilanz anhand von Gewebe- und Produktanalyse berechnet. Zur Bestimmung der Wassernutzungseffizienz von Mais wurde die aktuelle Evapotranspiration mittels Gravimetrie, Humidimetrie und Tensiometrie in Dogue 2002 abgeschätzt. Mit Hilfe der Niederschläge wurde die Regennutzungseffizienz (RUE) berechnet. Wasser- bzw. Regennutzungseffizienz wurden dabei bestimmt als das Verhältnis zwischen oberirdischer Biomasse und der Regenmenge bzw. der aktuellen Evapotranspiration. Die Produktivität der einzelnen Kulturen wurde signifikant durch die Art der Düngung und die Art des organischen Düngers beeinflusst. Erträge, RUE und WUE wuchsen durch organische Düngung und Mineraldüngung, allein oder in Kombination. Dabei war jeweils eine starke Variabilität zwischen den einzelnen Versuchsflächen und den Landwirten zu beobachten. Stickstoff, Kalium und Phosphor waren in dieser Reihenfolge die am meisten limitierenden Faktoren entsprechend der DRIS-Bewertung. Nach der CVM Methode waren die meisten der Makronährstoffe als gering oder zumindest nahe der kritischen Grenze zu bewerten. Allerdings nahm der Ernährungs-Ungleichgewichts-Index von 2001 nach 2002 nur für Mais ab. Eine Standard-Nährstoffversorgung und entsprechende DRIS-Werte für N, P, K, Ca, Mg, S, Zn, Mn und Mais, Sorghum, Baumwolle, Yams und Erdnuss wurde festgelegt. Diese Werte können zur Bewertung des Ernährungszustands, zur Korrektur von Ernährungsungleichgewichten und zur Verbesserung der Erträge verwendet werden. Sie eignen sich außerdem als Basis zur Kalibrierung von Düngungsprogrammen dieser Kulturen, die nachträglich validiert werden sollten. Da die Einbringung von Nährstoffen häufig nicht ausreichte die Entnahme zu kompensieren, traten negative Nährstoffbilanzen auf. Strategien zur Vermeidung dieser Nährstofflücke bauen auf einer verstärkten Wiederausbringung von Pflanzenresten, der verstärkten Anwendung von Stalldünger, dem Einsatz von Mineraldünger bzw. Kombinationen dieser Möglichkeiten auf. Da derzeit so gut wie keine Rückführung von entnommenen Nährstoffen auf die Felder erfolgt und Mineraldünger fast gar nicht eingesetzt wird, führt die gegenwärtige landwirtschaftliche Praxis in den Anbausystemen von Mais, Sorghum, Erdnuss und Yams zu einer kontinuierlichen Abnahme der Bodennährstoffe. Die Berechnung der Nährstoffbilanz in einer typischen Fruchtfolge aus Yams, Baumwolle, Mais, Erdnuss, Sorghum ergab Nährstoffverluste von 177 kg ha-1 N, 33 kg ha-1 P und 163 kg ha-1 K. Dies führt zu der im Untersuchungsgebiet beobachteten Nährstoffverarmung und zu abnehmenden Erträgen. Das einzig wünschenswerte Szenario wäre ein integriertes Bodenfruchtbarkeits-Management durch Kombination mineralischer und organischer Dünger. Dabei sollten sowohl Fruchtfolgen mit Leguminosen zur Optimierung der Stickstoffbindung, als auch der Einsatz von Mineraldünger und ein effektives Management der Pflanzenrückstände Eingang finden. Managementmethoden zur Begrenzung von Nährstoffverlusten und Verbesserung der Wassernutzungseffizienz sind mögliche Ansätze zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und der Verbesserung der Erträge im oberen Ouémé-Einzugsgebiet