Soil greenhouse gas balance, yield, and profit in intensively fertilized vegetable farms on an Andosol soil in Leyte, Philippines

by Cecille Marie Oquias Quiñones
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-01-24
Date of issue:2023-02-10
Advisor:Dr. Marife Corre
Referee:Dr. Marife Corre
Referee:Prof. Dr. Carola Paul
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9718

 

 

Files in this item

Name:PhD thesis_CMOQuiñones_26 Jan 2023_eDISS.pdf
Size:6.75Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

The vegetable industry is a vital sector in the Philippines’ agriculture, providing a significant contribution to the country’s total agricultural production and its overall economy. Vegetable farms in the Philippines are typically fragmented, small-scaled, and established in newly cleared forests with highly fertile soils. Increases in production and area are parallel with the increasing occurrences of forest conversion to vegetable farms. On top of deforestation, farmers practice high fertilization rates, successive cropping periods, deep soil tillage, and unregulated pest control applications. Despite various intensive cultivation practices implementation, average yield remains below optimum while high crop production costs penalize vegetable growers. Moreover, patterns of soil greenhouse gas (GHG; N2O, CH4, and CO2) fluxes that cover various crop production systems in the Philippines are less studied. To date, neither an investigation on field-based measurements of soil GHG fluxes nor an evaluation of vegetable yield response and farm-gate profit in intensively fertilized vegetable farms, has been undertaken. This research project aimed to (1) quantify and assess the soil GHG patterns in the secondary forest and in smallholder vegetable farms, (2) estimate the GHG budget of the latter land use, and (3) evaluate the optimum limits of plant-available nutrients, fertilization rates, vegetable yield response, and also the farm-gate profit following long-term intensive fertilization in vegetable farms. In addressing the abovementioned objectives, we performed our study on an Andosol soil in Cabintan, Leyte, Philippines. Nine spatially independent forest plots (each 64 m2) were established and 10 vegetable farms (≤ 0.30 ha) that covered the typical cultivation practices in the area were studied. These replicates have the same geology and climatic conditions. The secondary forest has tree vegetation that belongs to the families of old dipterocarp forest, while the studied vegetable farms cultivated cabbages and solanaceous vegetables during cropping periods. These farms practiced high fertilizer and pesticide application rates, introduced deep plowing during land preparations to create cultivation zones plant row and inter-row, and abstained from soil fallow in place for two to three cropping periods in a year. The vegetables produced in the study area catered to the demands not only in the Leyte province but also in adjacent islands, including the northern and southern provinces. To address our first objective, we assessed the soil GHG fluxes and controlling variables (mineral N: NH4+ and NO3–, water-filled pore space (WFPS), and soil temperature) in the studied vegetable farms (current land use) and compared these with that in the secondary forest (reference land use). Monthly measurements of soil GHG fluxes in the top 0.05 m were carried out using vented static chambers from May 2018 to May 2019. We also determined the stocks of mineral N and dissolved organic N in the 1-m soil depth of the current land use and the change of soil organic carbon (SOC) stock arising from land-use conversion as supporting information for the patterns of soil GHG fluxes. Both land uses consistently emitted soil N2O, consumed soil CH4, and released soil CO2; these soil GHG fluxes were overall significantly higher in the vegetable farms than in the secondary forest. The increase in soil N2O emissions from the farms reflected the application of fertilizers, particularly in plant rows, whereby the availability of mineral N as substrates stimulated soil N2O emissions. Furthermore, the substantial accumulation of mineral N down to 1-m soil depth supported the large soil N2O emissions. In terms of CH4 fluxes, the increasing NO3– levels in the plant row possibly dampened CH4 production, thereby promoting the CH4 uptake in vegetable farms but at a reduced rate relative to the forest. This reduction was also ascribed to increased bulk density in the inter-row, which inhibited the diffusion of atmospheric CH4 into the soil pronouncedly during the wet season and simultaneously reduced methanotrophic activity. Soil CO2 in both land uses was mainly controlled by the WFPS, while microbial decomposition largely influenced the emissions from the vegetable farms. For our second objective, we estimated the GHG budget of our studied vegetable farms by incorporating the net primary production (NPP), net ecosystem C exchange (NEE), and the net ecosystem productivity (NEP) in the calculation of its global warming potential (GWP). NPP was approximated using the harvest indices and root:shoot ratios of the vegetables, while NEE covered both the C output as represented by heterotrophic respiration from the farms’ inter-row due to the absence of plant roots in this cultivation zone and the C input from NPP and chicken manure, and NEP accounted the C export from the vegetable harvested yield. Heterotrophic respiration has an overriding effect over the combined C inputs from NPP and chicken manure, which in turn, contributed primarily to the NEE in farms. The latter and the overall GWP have indicated the vegetable farms as net soil CO2 source. The theme which covered the first and second objectives, with a corresponding title ‘Soil greenhouse gas fluxes from tropical vegetable farms, using forest as a reference’, is now accepted for publication in the Nutrient Cycling in Agroecosystems Journal (https://doi.org/10.1007/s10705-022-10222-4). For our final objective, we evaluated the optimum limits for plant-available N, fertilization rates P and K, vegetable harvested yield, N response efficiency (NRE) and partial factor productivity from applied fertilizer P (PFPP) and K (PFPK). We additionally ascertained the farm-gate profit of the studied vegetable farms which has been under long-term intensive fertilization. The optimum plant-available N corresponded to the optimum harvested yield and NRE from cultivating Chinese cabbage, while optimum rates of P and K produced the optimum harvested yield, PFPP, and PFPK from cultivating eggplant and chili pepper. Beyond the optimum limits of plant-available N and fertilization rates of P and K, harvested yield did not increase proportionally and additional fertilizer input only disposed monetary losses. Although the highest NRE was attained from the Chinese cabbage, cropping periods for solanaceous vegetables (tomato, sweet pepper, eggplant, and chili pepper) delivered a higher farm-gate profit, which suggested that profit was possibly driven by the vegetables’ market value. A higher farm-gate profit was also in agreement with the highest PFPP and PFPK from solanaceous vegetables compared with the cabbages, which implied that the increase in profit was dictated by higher harvested yield combined with reduced P and K fertilization inputs. The manuscript of this theme will be submitted for publication to the Journal of the Science of Food and Agriculture. The findings of this research project showed that vegetable production system on an Andosol soil in Leyte, Philippines, also possibly on other soil types throughout the entire country, is heavily fertilized. This agricultural activity, alongside more intensive management practices will continue to drive deforestation on remaining intact forests, release significant emissions of soil N2O and CO2, contribute to water quality contamination, incur monetary losses from fertilizer costs, and lead to serious soil degradation. To offset these drawbacks, there is a need for knowledge support for vegetable farmers on sustainable cultivation practices, which may include promotion of organic matter storage, introduction of fallow periods, and adherence to optimum limits of fertilization rates. The employment of these practices should be incentivized and considered as an integral strategy in the policy-making decisions, and for mitigation approaches in reducing soil GHG fluxes, minimizing expenditures on fertilizer costs, while optimizing farm-gate profit.
Keywords: Andosol soil; Soil nutrient stocks; Philippine agriculture; Greenhouse gas budget; Soil N2O, CH4, and CO2 fluxes; Soil organic carbon; Vegetable yield response; Optimum N-P-K fertilization rates; Cost-benefit analysis

German

Die Gemüseindustrie ist ein entscheidender Sektor in der philippinischen Landwirtschaft, der einen wesentlichen Beitrag zur gesamten landwirtschaftlichen Produktion des Landes sowie zur Gesamtwirtschaft leistet. Die Gemüsebetriebe auf den Philippinen sind in der Regel fragmentierte Kleinbetriebe, angesiedelt in neu gerodeten Wäldern mit sehr fruchtbaren Böden. Die Zunahme von Produktion und Anbaufläche geht einher mit der zunehmenden Umwandlung von Wäldern in Gemüsebetriebe. Zusätzlich zur Entwaldung praktizieren die Landwirte hohe Düngeraten, aufeinanderfolgende Anbauperioden, tiefe Bodenbearbeitung und unregulierte Schädlingsbekämpfung. Trotz verschiedenster intensiver Anbaumethoden bleibt der durchschnittliche Ertrag unter dem Optimum, während hohe Produktionskosten die Gemüsebauern benachteiligen. Darüber hinaus sind die Dynamiken von Treibhausgasflüssen im Boden (THG;N2O, CH4 und CO2), die verschiedene Anbausysteme auf den Philippinen abdecken, noch weitestgehend unbekannt. Bislang wurden weder Feldmessungen der Bodentreibhausgasflüsse im Gemüseanbau noch eine Bewertung der Verhältnisse von Gemüseerträgen und Betriebsgewinn in intensiv gedüngten Gemüsebetrieben durchgeführt. Dieses Forschungsprojekt zielte darauf ab, (1) die Boden-Treibhausgasdynamik des Sekundärwaldes und in kleinbäuerlichen Gemüsebetriebe zu quantifizieren und zu bewerten, (2) das Treibhausgasbudget der vorherigen Landnutzung abzuschätzen und (3) die optimalen Grenzwerte für pflanzenverfügbare Nährstoffe, die Düngungsraten, die Auswirkungen der Gemüseerträge, sowie den Betriebsgewinn bei langfristiger Intensivdüngung in Gemüsebetrieben zu bewerten. Um die oben genannten Ziele zu erreichen, führten wir unsere Studie auf einem Andosol in Cabintan, Leyte, Philippinen, durch. Hierfür wurden neun räumlich unabhängige Waldparzellen (je 64 m²) angelegt, und 10 Gemüsebetriebe (≤ 0,30 ha), welche die typischen Anbaupraktiken in der Region abdecken, untersucht. Die Replikate weisen die gleichen geologischen und klimatischen Bedingungen auf. Die Vegetation des Sekundärwaldes gehört zu der Familie des alten Dipterocarp-Waldes, während die untersuchten Gemüsebetriebe innerhalb der Ackerbauzeiten Kohl und Nachtschatten-Gemüse anbauten. Diese Betriebe brachten hohe Düngemittel- und Pestizidraten aus, führten tiefes Pflügen für die Bodenvorbereitung ein, um Anbauzonen mit Pflanzreihen und Zwischenreihen zu schaffen, und verzichteten für zwei bis drei Vegetationsperioden pro Jahr auf brachliegenden Boden. Das im Untersuchungsgebiet produzierte Gemüse deckte nicht nur den Bedarf in der Provinz Leyte, sondern auch auf den angrenzenden Inseln, einschließlich der nördlichen und südlichen Provinzen. Um unser erstes Ziel zu erreichen, haben wir die Treibhausgasflüsse und Kontrollvariablen (Mineralischer N (NH4+ und NO3–), wassergefüllter Porenraum (WFPS), Bodentemperatur) in den untersuchten Gemüsefarmen (aktuelle Landnutzung) gemessen und mit denen im Sekundärwald (Referenzlandnutzung) verglichen. Von Mai 2018 bis Mai 2019 wurden monatliche Messungen der THG-Flüsse im Boden in den oberen 0,05 m mit belüfteten statischen Kammern durchgeführt. Außerdem wurden die Bestände an mineralischem N(NH4+, NO3– ) und gelöstem organischem N in 1-m-Bodentiefe der aktuellen Landnutzung sowie die Veränderung der organischen Kohlenstoff -Vorräte im Boden (SOC), welche sich aus der Umstellung der Landnutzung ergeben, als unterstützende Informationen für die Dynamiken der THG-Flüsse im Boden bestimmt. Beide Landnutzungen emittierten durchweg N2O, verbrauchten CH4 und setzten CO2 aus dem Boden frei; diese Boden-THG-Flüsse waren in den Gemüsefarmen insgesamt deutlich höher als im Sekundärwald. Der Anstieg der Boden-N2O-Emissionen aus den landwirtschaftlichen Betrieben spiegelte den Einsatz von Düngemitteln, insbesondere in den Pflanzenreihen, wider, wobei die Verfügbarkeit von mineralischem N als Substrat die N2O-Emissionen des Bodens stimulierte. Darüber hinaus unterstützte die erhebliche Anreicherung von mineralischem N bis hinunter zu einer Bodentiefe von 1 m die hohen N2O-Emissionen des Bodens. In Bezug auf die CH4-Flüsse dämpften die steigenden NO3- Werte in der Pflanzenreihe möglicherweise die CH4-Produktion, wodurch die CH4-Aufnahme in Gemüsefarmen gefördert wurde, jedoch mit einer geringeren Rate im Vergleich zum Wald. Diese Reduktion wurde auch auf eine erhöhte Bodendichte in den Zwischenreihen zurückgeführt, die die Diffusion von atmosphärischem CH4 in den Boden während der Regenzeit deutlich hemmte und gleichzeitig die methanotrophe Aktivität reduzierte. Die Boden-CO2-Emissionen in beiden Landnutzungen wurden hauptsächlich durch den WFPS kontrolliert, während die mikrobielle Zersetzung die Emissionen der Gemüsebetriebe weitgehend beeinflusste. Für unser zweites Ziel haben wir das THG-Budget unserer untersuchten Gemüsebetriebe geschätzt, indem wir die Nettoprimärproduktion (NPP), den Netto-Ökosystem-C-Austausch (NEE) und die Netto-Ökosystemproduktivität (NEP) in die Berechnung des globalen Erwärmungspotenzials (GWP) einbezogen haben. Die NPP wurde unter Verwendung der Ernteindizes und des Wurzel-Trieb-Verhältnisses des Gemüses angenähert, während die NEE sowohl den C-Ausstoß, der durch die heterotrophe Atmung aus den Zwischenreihen der Betriebe aufgrund des Fehlens von Pflanzenwurzeln in dieser Anbauzone dargestellt wird, als auch den C-Input aus der NPP und dem Hühnermist abdeckte und die NEP verbuchte den C-Export aus dem Gemüseernteertrag. Die heterotrophe Atmung hat einen übergeordneten Effekt gegenüber den kombinierten C-Inputs aus NPP und Hühnermist, die wiederum in erster Linie zum NEE in den landwirtschaftlichen Betrieben beigetragen haben. Letzteres und das Gesamt-GWP deuten darauf hin, dass die Gemüsebetriebe eine Netto-CO2-Quelle für den Boden sind. Das Thema, das die erste und zweite Zielsetzung abdeckte, mit dem entsprechenden Titel "Treibhausgasflüsse aus tropischen Gemüsebetrieben unter Verwendung von Wäldern als Referenz", wurde jetzt zur Veröffentlichung in der Zeitschrift für Nährstoffkreislauf in Agrarökosystemen angenommen (https://doi.org/10.1007/s10705-022-10222-4). Für unser letztes Ziel haben wir die optimalen Grenzwerte für pflanzenverfügbares N, Düngeraten P und K, Gemüseertrag, der N-Ertrageeffizienz (NRE) und der partiellen Faktorproduktivität aus ausgebrachtem P (PFPP) und K (PFPK) ermittelt. Zusätzlich ermittelten wir den Betriebsgewinn der untersuchten Gemüsebetriebe, die langfristig intensiv gedüngt wurden. Der optimale pflanzenverfügbare N entsprach dem optimalen Ernteertrag und NRE aus dem Anbau von Chinakohl, während optimale Raten von P und K den optimalen Ernteertrag, PFPP und PFPK, für den Anbau von Auberginen und Chilischoten erzeugten. Jenseits der optimalen Grenzen des pflanzenverfügbaren N und der Düngergaben von P und K stiegen die Ernteerträge nicht proportional an und zusätzliche Düngergaben führten nur zu monetären Verlusten. Obwohl der höchste NRE aus dem Chinakohl erzielt wurde, lieferten die Anbauperioden für Nachtschattengewächse (Tomaten, Paprika, Auberginen und Chilischoten) einen höheren Betriebsgewinn, was darauf hindeutete, dass der Gewinn möglicherweise vom Marktwert des Gemüses bestimmt wurde. Ein höherer Betriebsgewinn stimmte auch mit dem höchsten PFPP und PFPK von Nachtschattengemüse im Vergleich zu den Kohlköpfen überein, was implizierte, dass die Gewinnsteigerung auf einen höheren Ernteertrag in Kombination mit reduzierten P- und K-Düngemitteln zurückzuführen war. Das Manuskript zu diesem Thema wird zur Veröffentlichung bei der Fachzeitschrift der Wissenschaft für Ernährung und Landwirtschaft eingereicht. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts haben gezeigt, dass der Gemüseanbau auf einem Andosol-Boden in Leyte, Philippinen, möglicherweise auch auf anderen Bodentypen im ganzen Land, stark gedüngt wird. Diese landwirtschaftlichen Aktivitäten werden zusammen mit intensiveren Bewirtschaftungspraktiken die Entwaldung auf den verbleibenden intakten Wäldern weiter vorantreiben, erhebliche Emissionen von N2O und CO2 des Bodens freisetzen, zur Verunreinigung der Wasserqualität beitragen, monetäre Verluste durch Düngemittelkosten verursachen und zu einer ernsthaften Bodendegradation führen. Um diese Nachteile auszugleichen, besteht ein Bedarf die Gemüsebauern über nachhaltige Anbaupraktiken aufzuklären. Dazu können die Erhöhung der Speicherung organischer Stoffe, die Einführung von Brachzeiten und Einhaltung der optimalen Grenzen der Düngemengen gehören. Die Anwendung dieser Praktiken sollte gefördert und als integrale Strategie bei politischen Entscheidungen berücksichtigt werden, um die Treibhausgasflüsse im Boden zu verringern, die Ausgaben für Düngemittel zu minimieren und gleichzeitig den Gewinn des Betriebs zu optimieren.
 
Statistik