Nutrient response efficiency, soil greenhouse gas fluxes, and nutrient leaching losses from a large-scale oil palm plantation under conventional and reduced management practices

by Guantao Chen
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-06-26
Date of issue:2023-07-06
Advisor:Dr. Marife Corre
Referee:Dr. Marife Corre
Referee:Prof. Dr. Dirk Hölscher
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9973

 

 

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Abstract

English

The area of oil palm plantations has expanded rapidly in the tropics over the past few decades due to the high demand for palm oil and the considerable economic benefits. Oil palm is playing a vital role in the global vegetable oil supply and regional economic development. However, the conventional management with high fertilization rates and herbicide application from oil palm plantations brings various environmental concerns. Reduced fertilization with mechanical weeding is one of the proposed practical alternatives to conventional management, which has the potential to improve multiple ecosystem functions without sacrificing production and profit. A field full factorial oil palm management experiment (OPMX) with two fertilization rates (conventional and reduced fertilization, equal to nutrients exported via fruit harvest) and two weeding methods (herbicide and mechanical) was conducted since 2016 in a 15-year-old, large-scale oil palm plantation in Jambi, Indonesia. This thesis consists of three studies that were conducted during 3-4 years of the OPMX experiment. The main objectives were to assess differences in yield and nutrient response efficiency (study 1), soil greenhouse gas (GHG) fluxes (study 2), and nutrient leaching losses (study 3) between conventional management (conventional fertilization with herbicide weeding) and reduced management (reduced fertilization with mechanical weeding) in this mature large-scale oil palm plantation. In the first study, the oil palm fruit yield, soil net N cycling rates, and soil mineral N stocks were measured. Nitrogen response efficiency (NRE), partial factor productivity of applied P (PFPP) and K (PFPK) fertilizer, and profit were calculated. The results showed that yield and soil net N cycling rates were comparable between conventional and reduced management. Reduced fertilization decreased soil mineral N stocks in 50-150 cm depth interval. Compared to conventional management, reduced fertilization with mechanical weeding increased NRE by 68%, PFPP by 200%, PFPK by 22%, and profit by 15%. In the second study, soil CO2, N2O, and CH4 fluxes were measured monthly for one year from three management zones, and global warming potential was calculated in this oil palm plantation. We found that soil GHG fluxes did not differ between conventional and reduced management practices. Annual soil GHG fluxes were 5.5 ± 0.2 Mg CO2-C ha−1 yr−1, 3.6 ± 0.7 kg N2O-N ha−1 yr−1, and −1.5 ± 0.1 kg CH4-C ha−1 yr−1 across treatments. The palm circle, where fertilizers are commonly applied, covered 18% of the plantation area but accounted 79% of soil N2O emission. The global warming potential of this planation was 3010 ± 750 kg CO2-eq ha−1 yr−1 of which 55% was contributed by soil N2O emission. In the third study, soil element leaching losses at 1.5 m soil depth were measured from three management zones during 2019-2020. In conventional management, the annual element leaching was 46 kg N ha−1 yr−1, 22 kg Al ha−1 yr−1, 23 kg Ca ha−1 yr−1, 9 kg K ha−1 yr−1, 9 kg Mg ha−1 yr−1, and 9 kg Na ha−1 yr−1. Compared to the conventional fertilization, reduced fertilization decreased dissolved N leaching by 74%, Al leaching by 60%, and K leaching by 73%. Among the management zones, the fertilized palm circle had higher dissolved N, Al, Ca, K, Mg, and Na leaching losses than the inter-row and frond-stacked area. Our results highlight the following findings during the first four years of the OPMX experiment. (1) Reduced fertilization with mechanical weeding maintained N availability in the topsoil ensuring a high yield, and thus improving both the nutrient response efficiency and profit. (2) Reduced fertilization with mechanical weeding cannot quickly decrease soil GHG emissions due to the strong legacy effect of over a decade of high fertilization. Reducing soil N2O emissions is the key to reducing GHG footprint. (3) Reduced fertilization with mechanical weeding decreased N, Al, and K leaching losses compared to conventional management. Overall, our results show that reduced fertilization combined with mechanical weeding is a more sustainable management option for large-scale oil palm plantations.
Keywords: oil palm; fertilization management; Indonesia; weeding practices; net ecosystem productivity; tree cash crop; nitrogen budget; global warming potential

German

Die Anbaufläche von Ölpalmplantagen in den Tropen hat sich in den letzten Jahrzehnten aufgrund der hohen Nachfrage nach Palmöl und der beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteile stark ausgeweitet. Die Ölpalme spielt eine wichtige Rolle für die weltweite Versorgung mit Pflanzenöl und die regionale wirtschaftliche Entwicklung. Die konventionelle Bewirtschaftung mit hohem Dünger- und Herbizideinsatz auf Ölpalmenplantagen ist jedoch mit verschiedenen Umweltproblemen verbunden. Eine reduzierte Düngung mit mechanischer Unkrautbekämpfung ist eine der vorgeschlagenen praktischen Alternativen zur konventionellen Bewirtschaftung, die das Potenzial hat, mehrere Ökosystemfunktionen zu verbessern, ohne die Produktion und den Gewinn zu beeinträchtigen. Ein vollfaktorielles Feldversuchsexperiment zur Ölpalmenbewirtschaftung (OPMX) mit zwei Düngungsraten (konventionelle und reduzierte Düngung, die den über die Fruchternte exportierten Nährstoffen entspricht) und zwei Unkrautbekämpfungsmethoden (Herbizid und mechanische Unkrautbekämpfung) wurde seit 2016 in einer 15 Jahre alten großflächigen Ölpalmenplantage in der Provinz Jambi, Indonesien, durchgeführt. Diese Arbeit besteht aus drei Studien, die während der 3-4 Jahre des OPMX-Versuchs durchgeführt wurden. Die Hauptziele waren die Bewertung von Unterschieden in der Ertrags- und Nährstoffreaktionsfähigkeit (Studie 1), den Treibhausgas (THG) -flüssen im Boden (Studie 2) und den Nährstoffauswaschungsverlusten (Studie 3) zwischen der konventionellen Bewirtschaftung (konventionelle Düngung mit Herbizideinsatz) und der reduzierten Bewirtschaftung (reduzierte Düngung mit mechanischem Jäten) in dieser großflächigen Ölpalmenplantage. In der ersten Studie wurden der Ölpalmfruchtertrag, die Netto-N-Kreislaufraten des Bodens und die mineralischen N-Vorräte im Boden gemessen. Die Stickstoff-Nutzungseffizienz (NRE), die partielle Faktorproduktivität des ausgebrachten P- (PFPP) und K-Düngers (PFPK) und der Gewinn wurden berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Erträge und die Netto-N-Kreislaufraten des Bodens zwischen konventioneller und reduzierter Bewirtschaftung vergleichbar waren. Die reduzierte Düngung verringerte die mineralischen N-Vorräte im Boden im Tiefenintervall von 50-150 cm. Im Vergleich zur konventionellen Bewirtschaftung erhöhte die reduzierte Düngung mit mechanischer Unkrautbekämpfung die NRE um 68%, den PFPP um 200%, den PFPK um 22% und den Ertrag um 15%. In der zweiten Studie wurden die CO2-, N2O- und CH4-Flüsse im Boden dreier Bewirtschaftungszonen ein Jahr lang monatlich gemessen und das globale Erwärmungspotenzial in dieser Ölpalmenplantage berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Treibhausgasflüsse im Boden zwischen konventioneller und reduzierter Bewirtschaftung nicht unterschieden. Die jährlichen THG-Flüsse im Boden betrugen 5,5 ± 0,2 Mg CO2-C ha−1 yr−1, 3,6 ± 0,7 kg N2O-N ha−1 yr−1 und −1,5 ± 0,1 kg CH4-C ha−1 yr−1. Der Palmenkreis, in dem üblicherweise Düngemittel ausgebracht werden, nahm 18% der Plantagenfläche ein, war aber für 79% der N2O-Emissionen aus dem Boden verantwortlich. Das globale Erwärmungspotenzial dieser Plantage betrug 3010 ± 750 kg CO2-eq ha−1 yr−1, wovon 55% auf die N2O-Emissionen des Bodens entfielen. In der dritten Studie wurden die Auswaschungsverluste von Bodenelementen in 1,5 m Bodentiefe in den Jahren 2019-2020 in drei Bewirtschaftungszonen gemessen. Bei konventioneller Bewirtschaftung betrug die jährliche Elementauswaschung 46 kg N ha−1 yr−1, 22 kg Al ha−1 yr-1, 9 kg K ha−1 yr−1, 9 kg K ha−1 yr−1, 9 kg Mg ha−1 yr−1, und 9 kg Na ha−1 yr−1. Im Vergleich zur konventionellen Düngung verringerte die reduzierte Düngung die Auswaschung von gelöstem N um 74%, die Auswaschung von Al um 60% und die Auswaschung von K um 73%. Von den Bewirtschaftungszonen wies der gedüngte Palmenkreis höhere Verluste an gelöstem N, Al, Ca, K, Mg und Na auf als der Astverschnitt-Lagerungsbereich und der Bereich zwischen den Baumreihen. Unsere Ergebnisse unterstreichen die folgenden Erkenntnisse aus den ersten vier Jahren des OPMX-Versuchs. (1) Durch die reduzierte Düngung mit mechanischer Unkrautbekämpfung blieb die N-Verfügbarkeit im Oberboden erhalten, was einen hohen Ertrag sicherte und somit sowohl die Nährstoffeffizienz als auch den Profit verbesserte. (2) Eine verringerte Düngung mit mechanischer Unkrautbekämpfung kann die THG-Emissionen im Boden nicht so schnell verringern, da die hohe Düngung über ein Jahrzehnt hinweg eine starke Altlast darstellt. Die Verringerung der N2O-Emissionen aus dem Boden ist der Schlüssel zur Verringerung der THG-Bilanz. (3) Eine reduzierte Düngung mit mechanischer Unkrautbekämpfung verringerte die N-, Al- und K-Auswaschungsverluste im Vergleich zur konventionellen Bewirtschaftung. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass eine reduzierte Düngung in Kombination mit mechanischer Unkrautbekämpfung eine nachhaltigere Bewirtschaftungsoption für großflächige Ölpalmenplantagen darstellt.
 
Statistik