Published July 1, 2024
| Version v1
Publication
Shifting focus from external to in situ organic resources – The redesign of four tropical long-term experiments
Creators
- 1. ETH Zurich
- 2. University of Montpellier
- 3. Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement
- 4. International Institute of Tropical Agriculture
- 5. International Centre of Insect Physiology and Ecology
- 6. Agropolis International
- 7. Kenyatta University
- 8. University of Embu
Description
Long-term experiments (LTEs) are critical for evaluating strategies that can maintain or increase crop yields, soil fertility and soil organic carbon (SOC), and help adapt to climate change. Yet, scientific knowledge is advancing and research questions are evolving. Therefore, it is important to review the objectives of LTEs over time. A change in their design may be necessary to keep the experimental treatments scientifically interesting, innovative, and relevant in the context of evolving agricultural challenges. Here, we describe the process of redesigning four LTEs in Kenya. These LTEs are unique in that they represent four different pedoclimatic conditions but with identical experimental treatments across sites. Initially, they focused on investigating how to maintain or increase SOC and maize yields over time by applying a combination of mineral nitrogen (N) and external organic resources. Specifically, the experimental treatments consisted of maize monoculture with different rates (1.2 and 4 t C ha−1 yr−1) and qualities of organic resources, either with or without mineral N fertilizer input. After about 20 years, it became clear that SOC was lost in most treatments. Therefore, continuing with the current experimental design was not an option. Taking advantage of the fact that the different former treatments led to different levels of soil degradation, we redesigned the LTEs to study the effectiveness of regenerative cropping strategies in rebuilding SOC and increasing crop yields starting from the different levels of soil degradation. The focus shifted from external to in situ organic inputs by increasing the root biomass of the cultivated crops. The newly established cropping system treatments are maize-legume rotation, maize-legume intercropping (double row configuration) and relay intercropping of maize with forage grass. A key finding from the previous phase of the experiments, namely, that external organic inputs with low C:N ratios are most efficient in building SOC, has been incorporated into the redesign. The relative contribution of external versus in situ organic resources is tested by splitting the cropping system treatments into those receiving either farmyard manure or green manure in the form of Tithonia diversifolia prunings and those receiving no external inputs. Split-plot treatments with and without mineral N were retained. The overall objective of studying mechanisms of tropical soil fertility maintenance and, more specifically, SOC formation, remained unchanged. However, the redesign aligned the LTEs with the current state of knowledge and pressing research questions, specifically focusing on the relative effectiveness of in-situ versus external organic inputs in SOC formation.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعتبر التجارب طويلة الأجل (LTEs) حاسمة لتقييم الاستراتيجيات التي يمكن أن تحافظ على غلة المحاصيل وخصوبة التربة والكربون العضوي في التربة (SOC) أو تزيدها، وتساعد على التكيف مع تغير المناخ. ومع ذلك، فإن المعرفة العلمية تتقدم وتتطور أسئلة البحث. لذلك، من المهم مراجعة أهداف LTE بمرور الوقت. قد يكون من الضروري إجراء تغيير في تصميمها للحفاظ على العلاجات التجريبية مثيرة للاهتمام علميًا ومبتكرة وذات صلة في سياق التحديات الزراعية المتطورة. هنا، نصف عملية إعادة تصميم أربعة LTE في كينيا. هذه LTEs فريدة من نوعها من حيث أنها تمثل أربعة ظروف مناخية مختلفة ولكن مع علاجات تجريبية متطابقة عبر المواقع. في البداية، ركزوا على التحقيق في كيفية الحفاظ على غلة مخزون الكربون العضوي في التربة والذرة أو زيادتها بمرور الوقت من خلال تطبيق مزيج من النيتروجين المعدني (N) والموارد العضوية الخارجية. على وجه التحديد، تألفت المعالجات التجريبية من زراعة الذرة الأحادية بمعدلات مختلفة (1.2 و 4 طن مكعب هكتار -1 سنة−1) وصفات الموارد العضوية، إما مع أو بدون مدخلات الأسمدة المعدنية N. بعد حوالي 20 عامًا، أصبح من الواضح أن مخزون الكربون العضوي في التربة قد ضاع في معظم العلاجات. لذلك، لم يكن الاستمرار في التصميم التجريبي الحالي خيارًا. بالاستفادة من حقيقة أن المعالجات السابقة المختلفة أدت إلى مستويات مختلفة من تدهور التربة، قمنا بإعادة تصميم LTEs لدراسة فعالية استراتيجيات المحاصيل المتجددة في إعادة بناء مخزون الكربون العضوي في التربة وزيادة غلة المحاصيل بدءًا من المستويات المختلفة لتدهور التربة. تحول التركيز من المدخلات العضوية الخارجية إلى المدخلات العضوية في الموقع عن طريق زيادة الكتلة الحيوية الجذرية للمحاصيل المزروعة. تتمثل معالجات نظام الزراعة التي تم إنشاؤها حديثًا في تدوير البقوليات من الذرة، وزراعة البقوليات من الذرة (تكوين صف مزدوج) وترحيل زراعة الذرة مع عشب العلف. تم دمج نتيجة رئيسية من المرحلة السابقة من التجارب، وهي أن المدخلات العضوية الخارجية ذات نسب C:N المنخفضة هي الأكثر كفاءة في بناء مخزون الكربون العضوي في التربة، في إعادة التصميم. يتم اختبار المساهمة النسبية للموارد العضوية الخارجية مقابل الموارد العضوية في الموقع عن طريق تقسيم معالجات نظام المحاصيل إلى أولئك الذين يتلقون إما سماد المزارع أو السماد الأخضر في شكل تقليمات Tithonia diversifolia وأولئك الذين لا يتلقون أي مدخلات خارجية. تم الاحتفاظ بالعلاجات المقسمة مع وبدون N المعدنية. ظل الهدف العام لدراسة آليات الحفاظ على خصوبة التربة الاستوائية، وبشكل أكثر تحديدًا، تكوين مخزون الكربون العضوي في التربة، دون تغيير. ومع ذلك، فقد عملت إعادة التصميم على مواءمة LTE مع الحالة الراهنة للمعرفة والأسئلة البحثية الملحة، مع التركيز بشكل خاص على الفعالية النسبية للمدخلات العضوية في الموقع مقابل المدخلات العضوية الخارجية في تكوين مخزون الكربون العضوي في التربة.Translated Description (French)
Les expériences à long terme (LTE) sont essentielles pour évaluer les stratégies qui peuvent maintenir ou augmenter les rendements des cultures, la fertilité des sols et le carbone organique du sol (SOC), et aider à s'adapter au changement climatique. Pourtant, les connaissances scientifiques progressent et les questions de recherche évoluent. Par conséquent, il est important de revoir les objectifs des LTE au fil du temps. Un changement dans leur conception peut être nécessaire pour maintenir les traitements expérimentaux scientifiquement intéressants, innovants et pertinents dans le contexte de l'évolution des défis agricoles. Ici, nous décrivons le processus de refonte de quatre LTE au Kenya. Ces LTE sont uniques en ce sens qu'ils représentent quatre conditions pédoclimatiques différentes mais avec des traitements expérimentaux identiques d'un site à l'autre. Dans un premier temps, ils se sont concentrés sur l'étude de la manière de maintenir ou d'augmenter les rendements du COS et du maïs au fil du temps en appliquant une combinaison d'azote minéral (N) et de ressources organiques externes. Plus précisément, les traitements expérimentaux consistaient en une monoculture de maïs avec des taux différents (1,2 et 4 t C ha−1 an−1) et des qualités de ressources organiques, avec ou sans apport d'engrais azoté minéral. Après environ 20 ans, il est devenu clair que le SOC était perdu dans la plupart des traitements. Par conséquent, la poursuite du plan expérimental actuel n'était pas une option. Profitant du fait que les différents traitements antérieurs ont conduit à différents niveaux de dégradation des sols, nous avons redessiné les LTE pour étudier l'efficacité des stratégies de culture régénérative dans la reconstruction du COS et l'augmentation des rendements des cultures à partir des différents niveaux de dégradation des sols. L'attention s'est déplacée des intrants biologiques externes vers les intrants biologiques in situ en augmentant la biomasse racinaire des cultures cultivées. Les traitements du système de culture nouvellement mis en place sont la rotation maïs-légumine, la culture intercalaire maïs-légumine (configuration à double rangée) et la culture intercalaire relais du maïs avec de l'herbe fourragère. Une conclusion clé de la phase précédente des expériences, à savoir que les apports organiques externes avec de faibles rapports C :N sont les plus efficaces dans la construction du COS, a été intégrée dans la refonte. La contribution relative des ressources organiques externes par rapport aux ressources organiques in situ est testée en divisant les traitements du système de culture entre ceux qui reçoivent du fumier de ferme ou du fumier vert sous forme d'élagages de Tithonia diversifolia et ceux qui ne reçoivent pas d'intrants externes. Les traitements en parcelles divisées avec et sans N minéral ont été conservés. L'objectif global d'étudier les mécanismes de maintien de la fertilité des sols tropicaux et, plus précisément, la formation de COS, est resté inchangé. Cependant, la refonte a aligné les LTE sur l'état actuel des connaissances et les questions de recherche urgentes, en se concentrant spécifiquement sur l'efficacité relative des intrants organiques in situ par rapport aux intrants organiques externes dans la formation du COS.Translated Description (Spanish)
Los experimentos a largo plazo (LTE, por sus siglas en inglés) son fundamentales para evaluar estrategias que puedan mantener o aumentar los rendimientos de los cultivos, la fertilidad del suelo y el carbono orgánico del suelo (SOC, por sus siglas en inglés), y ayudar a adaptarse al cambio climático. Sin embargo, el conocimiento científico está avanzando y las preguntas de investigación están evolucionando. Por lo tanto, es importante revisar los objetivos de las LTE a lo largo del tiempo. Puede ser necesario un cambio en su diseño para mantener los tratamientos experimentales científicamente interesantes, innovadores y relevantes en el contexto de la evolución de los desafíos agrícolas. Aquí describimos el proceso de rediseño de cuatro LTE en Kenia. Estos LTE son únicos en el sentido de que representan cuatro condiciones pedoclimáticas diferentes pero con tratamientos experimentales idénticos en todos los sitios. Inicialmente, se centraron en investigar cómo mantener o aumentar los rendimientos de COS y maíz a lo largo del tiempo mediante la aplicación de una combinación de nitrógeno mineral (N) y recursos orgánicos externos. Específicamente, los tratamientos experimentales consistieron en monocultivos de maíz con diferentes tasas (1.2 y 4 t C ha−1 año−1) y calidades de recursos orgánicos, ya sea con o sin aporte de fertilizante mineral N. Después de unos 20 años, quedó claro que el COS se perdía en la mayoría de los tratamientos. Por lo tanto, continuar con el diseño experimental actual no era una opción. Aprovechando el hecho de que los diferentes tratamientos anteriores condujeron a diferentes niveles de degradación del suelo, rediseñamos los LTE para estudiar la efectividad de las estrategias de cultivo regenerativo en la reconstrucción del COS y el aumento de los rendimientos de los cultivos a partir de los diferentes niveles de degradación del suelo. El enfoque cambió de insumos orgánicos externos a insumos orgánicos in situ al aumentar la biomasa radicular de los cultivos. Los tratamientos del sistema de cultivo recientemente establecidos son la rotación de maíz y leguminosas, el cultivo intercalado de maíz y leguminosas (configuración de doble hilera) y el cultivo intercalado de maíz con pasto forrajero. Un hallazgo clave de la fase anterior de los experimentos, a saber, que los insumos orgánicos externos con bajas relaciones C:N son más eficientes en la construcción de SOC, se ha incorporado en el rediseño. La contribución relativa de los recursos orgánicos externos frente a los in situ se prueba dividiendo los tratamientos del sistema de cultivo en aquellos que reciben estiércol de granja o estiércol verde en forma de podas de Tithonia diversifolia y aquellos que no reciben insumos externos. Se retuvieron los tratamientos de parcela dividida con y sin N mineral. El objetivo general de estudiar los mecanismos de mantenimiento de la fertilidad del suelo tropical y, más específicamente, la formación de COS, se mantuvo sin cambios. Sin embargo, el rediseño alineó los LTE con el estado actual del conocimiento y las preguntas apremiantes de investigación, centrándose específicamente en la efectividad relativa de los insumos orgánicos in situ frente a los externos en la formación del COS.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحويل التركيز من الموارد العضوية الخارجية إلى الموارد العضوية في الموقع – إعادة تصميم أربع تجارب استوائية طويلة الأجل
- Translated title (French)
- Transfert de l'attention des ressources organiques externes vers les ressources organiques in situ – La refonte de quatre expériences tropicales à long terme
- Translated title (Spanish)
- Cambiar el enfoque de los recursos orgánicos externos a los in situ: el rediseño de cuatro experimentos tropicales a largo plazo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4396527588
- DOI
- 10.1016/j.eja.2024.127194
References
- https://openalex.org/W1685833191
- https://openalex.org/W1726600696
- https://openalex.org/W1977509880
- https://openalex.org/W1982311706
- https://openalex.org/W2004256739
- https://openalex.org/W2004631727
- https://openalex.org/W2010705478
- https://openalex.org/W2021325799
- https://openalex.org/W2038325241
- https://openalex.org/W2052679163
- https://openalex.org/W2058571767
- https://openalex.org/W2062351969
- https://openalex.org/W2079725226
- https://openalex.org/W2083039584
- https://openalex.org/W2097196490
- https://openalex.org/W2122741661
- https://openalex.org/W2133026371
- https://openalex.org/W2144189317
- https://openalex.org/W2157994386
- https://openalex.org/W241260329
- https://openalex.org/W2557800876
- https://openalex.org/W2579486704
- https://openalex.org/W2600590851
- https://openalex.org/W2626506007
- https://openalex.org/W2793056944
- https://openalex.org/W2798035776
- https://openalex.org/W2808443285
- https://openalex.org/W2808506779
- https://openalex.org/W2896688765
- https://openalex.org/W2901015627
- https://openalex.org/W2913614076
- https://openalex.org/W2924914201
- https://openalex.org/W2939119832
- https://openalex.org/W2966058802
- https://openalex.org/W3045836037
- https://openalex.org/W3129449736
- https://openalex.org/W3135555326
- https://openalex.org/W3143002104
- https://openalex.org/W3163050210
- https://openalex.org/W3168414241
- https://openalex.org/W3210439835
- https://openalex.org/W3213181720
- https://openalex.org/W4205447341
- https://openalex.org/W4220778642
- https://openalex.org/W4220865466
- https://openalex.org/W4223993367
- https://openalex.org/W4253090895
- https://openalex.org/W4282977718
- https://openalex.org/W4312055994
- https://openalex.org/W4313400795
- https://openalex.org/W4313594097
- https://openalex.org/W4321084790
- https://openalex.org/W4323354548
- https://openalex.org/W4379472951
- https://openalex.org/W4381715320
- https://openalex.org/W4385298730
- https://openalex.org/W4389524767
- https://openalex.org/W4391556623
- https://openalex.org/W4391705197
- https://openalex.org/W754165850