VäxtEko


Tidskrift/serie: Seminarier och examensarbeten - Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för växtodlingslära
Utgivare: SLU, Institutionen för växtodlingslära
Utgivningsår: 1993
Nr/avsnitt: 892
Författare: Gullbrandsson K.
Titel: Produktion och utnyttjande av kväve i ett agroforestrysystem
Huvudspråk: Svenska
Målgrupp: Rådgivare
Nummer (ISBN, ISSN): ISSN 1100-6757

OBS! Fel i texten kan ha uppkommit då dokumentet överfördes från papper.

Innehållsförteckning

Referat

Agroforestry innebär att träd och grödor samodlas. Träden har flera egenskaper som gör att de är intressanta att odla tillsammans med örtartade grödor. Kvävefixering är en egenskap som har rönt stort intresse, då det fixerade kvävet också kan användas av grödan.

Syftet med litteraturstudien är att beskriva den kvävefixerande förmågan hos främst baljväxtträdet Leucaena leucocephala, vilka faktorer som påverkar kvävefixeringen och i vilken utsträckning samodlad majs kan utnyttja kvävet från gröngödsling.

Leucaena leucocephala rapporteras kunna fixera upp till 550 kg kväve per hektar och år. I ett sexårigt försök i Nigeria med samodling av L. leucocephala och majs har avkastningen hos majs med tillförsel av gröngödsling från enbart L. leucocephala hållit skörden på en nivå på två ton per hektar. I kontrolledet utan någon gödsling alls, låg skörden på ett halvt ton per hektar.

Skillda faktorer påverkar kvävefixeringen, som trädens ålder och sort samt diverse miljöfaktorer inklusive odlingsåtgärder. Hur faktorerna påverkar kvävefixeringen är inte helt klarlagt. Mer forskning krävs inom området.

Inledning

Historiskt sett har bönder odlat med långa trädesperioder för att bevara markbördigheten. I tropiska Afrika tillämpas än idag trädesjordbruk. Men med de senaste decenniernas ständigt växande befolkning har odlingsintensiteten ökat för att trygga livsmedelsförsörjningen. När odlingen har intensifierats, har trädesperioden blivit kortare och för att upprätthålla markbördighet och skördeavkastning måste handelsgödsel tillföras. Bl a hög kostnad för mineralgödselmedel i många utvecklingsländer, begränsar deras användning av främst småbrukare.

Det är sedan länge känt av bönder i u-länder att träd i odlingssystemet, agroforestry, kan ha positiva effekter på grödans tillväxt. På senare år har forskning kring kvävefixerande träd i agroforestry ökat. Med kvävefixerande träd i systemet kan kväve producerat av träden komma grödan till godo, vilket minskar behovet av handelsgödselkväve (Kang & Duguma, 1983).

Syftet med denna uppsats är att redogöra för kvävefixerande träd, främst baljväxtträdet Leucaena leucocephala, och för faktorer som påverkar kväveproduktion. Studien begränsas till att återge resultat från en vanlig tillämpning inom agroforestry så kallad "alley cropping", med samodling av majs och leucaena.

Agroforestry

En ingående definition av agroforestry ges av Lundgren och Raintree (1983):

"Agroforestry är ett markanvändningssystem där trädartade perenner avsiktligt integreras med jordbruksgrödor och/eller husdjur på samma markområde, i antingen ett rumsligt eller en tidsmässig sekvens, och där både ekologiska och ekonomiska interaktioner sker mellan de olika komponenterna".

Enligt Young (1989) finns det hundratals olika agroforestry system. Systemet utformas av den lokala miljön, växtarter och ordningen mellan arterna, skötselåtgärder, och ekonomiska och sociala funktioner. En grov indelning kan göras på följande tillämpningar: träd och grödor, träd och bete med djurhållning, system där träd är den dominerande faktorn och system med speciella komponenter (t ex aquaforestry, träd och fiskodling). Inom dessa tillämpningar kan sedan göras ytterligare klassifikationer som baseras på om träd och gröda avlöser varandra i tiden eller om de är rumsligt samodlade.

Trädens roll i agroforestry

Ett naturligt ekosystem utmärks av att det ackumulerar växtnäring och att det tenderar att fortleva i tiden. Viktiga funktioner hos det naturliga ekosystemet är att växtnäringsämnen cirkulerar i systemet. Förlusterna av växtnäring ut ur systemet är små genom att marken, med undantag av tillfällig ödeläggelse genom brand, ständigt är bevuxen. Artrikedomen är stor och systemet har en strukturell mångfald dvs en spridning i tid och rum (Woodmansee 1984).

Vid samodling av träd och grödor eftersträvar man att minska förlusten av näringsämnen ut ur systemet och att markbördighet på sikt ska öka.

Enligt Young (1989) är det tänkbart att träden upprätthåller och förbättrar marken med följande processer:

* Mullhalten kan öka genom tillförsel av organiskt material

* Kvävefixerande träd kan öka kväveinflödet till jordbrukssystemet

* Djupa rötter kan lyfta upp växtnäring till ytligare skikt

* Träden kan med sina rötter stabilisera mark som är utsatt för erosion

* Träden kan förbättra markens fysikaliska egenskaper såsom struktur, porositet och möjligheten till infiltration genom rötternas inverkan

* Träden kan påverka markbiologiska processer positivt genom t ex effekter på markfauna.

Det finns enligt Nair (1984) starka argument för att använda träd i jordbruk men det är viktigt att betona att trädens positiva egenskaper eventuellt bara kommer till uttryck i relativt täta trädbestånd. I ett odlingssystem där träden står glesare, är det obekant i vilken omfattning trädens positiva egenskaper kommer till uttryck.

Kvävefixerande träd

Kvävefixerande träd har liksom baljväxter symbios en kvävefixerande bakterie. De flesta tropiska baljväxtträd har symbios med Rhizobium, medan några icke-baljväxtträd har symbios med Frankia (Young, 1989). Träden kan etablera sig i kvävefattiga jordar och grödor i samodling med träden kan dra nytta av kvävet och av organiskt material från träden (Danso et al., 1992).

Det finns en mängd olika träd som fixerar luftkväve. Leguminosae, baljväxter, är den familj som har flest kvävefixerande träd som är lämpliga för agroforestry. Ungefär 1000 arter av tropiska baljväxtträd kan bilda rotknölar för kvävefixering. Men effektiviteten i kvävefixering är mycket varierande.

Familjen Leguminosae har tre underfamiljer. Majoriteten arter av Mimosoideae och Papilionideae är kvävefixerare medan endast en liten del av arter i underfamiljen Caesalpinioideae kan fixera luftkväve.

Bland icke-baljväxträden kan den tropiska familjen Casuarina nämnas som viktig kvävefixerare (Nair, 1984). Se bilaga 1.

Mätmetoder för biologisk kväve fixering (BNF)

Betydelsen av kvävefixering hos växter har lett till frågan hur man ska kunna optimera denna egenskap och hur kvävet ska kunna överföras till den följande eller den samodlade grödan i växtodlingssystemet.

De problem som uppkommer vid mätning av BNF är mer komplexa när det gäller träd än vad som är fallet med annuella växter, beroende på trädens perenna natur och på deras storlek. Därför har endast ett fåtal studier utförts på detta område. De metoder som är vanligast för att mäta kvävefixering hos träd är totala kvävedifferensmetoden och acetylenreduktionanalys. Totala kvävedifferensmetoden är en enkel metod som baseras på hur mycket kväve som kommer från marken. Kväveinnehållet hos en icke-fixerande kontrollväxt jämförs med kväveinnehållet hos det fixerande trädet. Acetylen reduktion analys innebär att man mäter den mängd etylen som produceras av bortskurna rotknölar eller avhuggna rötter i en atmosfär av acetylen. Mängden producerat etylen omräknas till total mängd fixerat kväve. Metoderna är osäkra då de inte tar hänsyn till trädens perennanatur och de ger mycket varierande resultat för kvävefixeringen hos växten (Danso et al., 1992).

Kvävefixerande potential hos träd

Kvävefixerande trädarter kan delas in i två grupper. Det är träd med hög respektive låg kvävefixerande potential. Till den första gruppen med hög kvävefixerande potential kan nämnas arterna Leucaena leucocephala ochAcacia mangium som har en kvävefixerande potential på mellan 100 och 300 kg kväve fixerat per hektar och år.

Till gruppen med låg potential hör träd som Acacia albida,A. senegal och A. pellita.

Trädens kvävefixerande potential är mindre än 20 kg per hektar och år (Danso et al., 1992).

Uppgifter om träds kvävefixerande potential varierar inom vida gränser i litteraturen. I tabell 1 är exempel på mätningar av BNF som det oftast hänvisas till när det gäller L. leucocephala.

 

Tabell 1. Mätningar av BNF i kvävefixerande träd med totala
kvävedifferansmetoden (TDN) och med acetylen reduktion analys (ARA)
Metod  Art                 Uppmätt BNF            Källa
                           %          kg ha-1 år-
                                      1
TDN    Leucaena            52-64      448-548     Sanginga et al. (1985)
       Leucocephala
TDN    L. leucocephala     65         304         Liya et al. (1990)
ARA    L. leucocephala     -          110         Högberg & Kvarnström
                                                  (1982)

 

Det finns en genotypisk variation i BNF. När mycket markkväve finns tillgängligt för trädet, fixerar vissa genotyper eller sorter mer luftkväve och absorberar mindre markkväve än andra. Skillnaden i effekt av markkväve på BNF kan ha stor inverkan på den mängd kväve som fixeras i påföljande säsonger hos olika genotyper.

I ett blandat odlingssystem är det inte alltid mest fördelaktigt att ha den växtgenotyp med högst BNF. En sådan växt kan bli en alltför kraftig konkurrent. De kvävefixerande träden måste betraktas som en del av ett ekosystem och inte bara utifrån kvävefixerande potential. (Danso et al., 1992)

Faktorer som påverkar kvävefixering

Skillda faktorer påverkar trädens biologiska kvävefixering. Det inkluderar trädens ålder, odlingsåtgärder och miljöfaktorer.

Trädets ålder

Det finns idag få studier utförda på BNF hos träd i den andra och därpå följande växtsäsonger och det finns ett stort behov av att göra mer detaljerade studier på området. Om L. leuceophala fixerar ca 300 kg N från luften och lika mycket kommer från marken då kan markkväve från förna och rotmineralisering vara tillräckligt för att undertrycka BNF. Med gödslingsförsök har man visat att genom att tillföra 40 kg kväve per hektar minskar man BNF med ca 50 procent hos L. leucocephala. En sådan minskning i BNF i följande säsonger kan påverka skördeutfallet.

Odlingsåtgärder

Ungefär 50 procent av trädens kväve beräknas komma från marken. Det kan möjligen vara en underskattning då det undantar det kväve som kommer från rotomsättningen och den kan vara mycket hög mellan 40 och 92 procent per år i ett tropiskt skogsekosystem (Danso et al., 1992). Liksom då man slår örtartade baljväxter och huvuddelen av rötterna dör, så medför kraftig beskärning av L. Leucephala att approximativt hälften av rotknölarna dör under de följande tre veckorna (rotbiomassan studerades inte). Det gör att man genom tidpunkt och beskärningsgrad kan påverka överförseln av fixerat kväve till den samodlade grödan, liksom att reglera rottävlan mellan etablerade trädrader och nyligen planterade mellanradsannueller.

Miljöfaktorer

Den mängd kväve som fixeras styrs av växtens kvävefixerande förmåga och av miljöfaktorer. Miljöfaktorer, kan verka på två sätt (i) genom att minska trädens tillväxt och (ii) genom direkt effekt på symbiosen t ex genom rotknölarnas fysiska tillstånd, genom att påverka syre tillgängligheten för bakterierna eller genom att påverka biokemin hos kvävefixeringen genom t ex molybden brist.

Markfukt spelar en dominerande roll för rotknölarnas tillväxt samt för nitrogenasaktiviteten (enzymsystem som katalyserar överföring av N2 till NH3). Några trädarter har perenna rotknölar men många, om inte de flesta, fäller sina knölar och även fina rötter när marken blir torr. Det innebär att kvävefixeringen varierar mycket över växtsäsongen. Under torrperioder sjunker den kvävefixerande förmågan (Högberg, 1986).

Temperaturens inverkan på rotknölarnas kvävefixerande förmåga är relativt okänt hos träd. Men liksom för örtartade baljväxter där de skilda stadierna i knölbildning och kvävefixering påverkas av temperaturen så borde detta också gälla för trädbaljväxter (Danso et al., 1992).

De flesta tropiska träd bildar symbios med svampar så kallad myccorhiza.

Myccorhiza ökar upptaget av fosfor och många andra näringsämnen tex Zn, Mo och Cu som i sin tur påverkar den biologiska kvävefixeringen. Enligt försök har innokulering av L. leucocephala med svamparten Glomus fördubblat tillväxten hos trädet, ökat rotknölarnas friskvikt och nitrogenasaktiviteten med vardera 50 %. Myccorhiza skiljer mycket i effektivitet och det finns ett stort behov av att selektera efter högeffektiv myccorhiza (Danso et al., 1992; Högberg 1986).

Försöksresultat från alley cropping

Alley cropping

Alley cropping är en tillämpning av agroforestry där jordbruksgrödor växer mellan rader av planterade träd eller buskar. Träden eller buskarna beskärs kontinuerligt under odlingssäsongen för att förhindra att de skuggar grödorna, för att minska konkurrensen och för att tillföra gröngödsling till den samodlade grödan. När ingen gröda finns närvarande kan trädalléerna växa fritt och täcka marken. Alley cropping har den fördelen över traditionella odlingssystem med träda, att odling och trädesfasen tillåts att sammanfalla. Det kan minska behovet av mark för jordbruksproduktion och utnyttja marken effektivare (Nair, 1984). Preliminära resultat visar att alley cropping system som baseras på Leucana/majs har varit speciellt lovande (Kang et al., 1990).

Leucaena

Leucaena är det vanligast förekommande trädet i modern agroforestry och är ofta använd i alley cropping. Det är främst trädets effekter på markbördigheten som är intressant men Leucaena används för många andra ändamål, foder, ved, byggmaterial, för markbevaring, kvävefixering och gröngödsling och trädet går utmärkt att kombinera med jordbruksgrödor. Trädet har sin utbredning i humid/subhumid klimat, det blir 5-20 meter högt och har en hög biomassa produktion. Kväveinnehållet i bladen är högt vilket ger en snabb omsättning av organiskt material och näringsämnen och en gynnsam effekt på markfysikaliska egenskaper (Young, 1989).

Effekter av gröngödsling

Försöksresultat från alley cropping med Leucaena och majs visar genomgående att majs ökar i avkastning med tillförsel av gröngödsling.

Kang et al., (1982) visade i ett försök från Nigeria att med tillförsel av 20 ton Leucaena gödsling per hektar (motsvarande ungefär 200 kg handelsgödselkväve) kan skörden av majs öka från 2,3 ton per hektar till 3,2 ton per hektar.

Resultat från 6 års observation (Kang & Duguma, 1983) i samma område som ovan, visade att majsskörden med enbart tillförsel av Leucaena gröngödsling kan bibehålla en skörd på två ton per hektar. I kontrolledet med ogödslad gröda sjönk skörden till ett halvt ton per hektar.

Sanginga et al. (1986) fann att tillförsel av gröngödsling från Leucaena (mängden är ej definierad) ökade majs skörden från 2,2 ton per hektar till 4,6 ton per hektar. Fastän hög kväveskörd kan uppnås genom upprepad beskärning av träden så måste ändå grödan kompletteras med handelsgödselkväve för att uppnå en tillfredställande skörd.

Trots att kvävemängden som kommer från träden är hög så kommer bara en del kvävet grödan till godo. Effektiviteten är låg, bara 36% av kvävet (Kang et al., 1981) som tillförs genom löven kommer grödan tillgodo.

Det kan bero på flera faktorer såsom (Mulongoy & Akobundu, 1990):

Att nedbrytningen av organiskt material inte är synkroniserad med grödans behov av tillförsel av gröngödslingsmaterial

Att det sker förluster genom utlakning och ammoniakavgång

Att beskärning av träden sker för förhindra skuggning snarare än för att tillföra gröngödslingsmaterial.

Radavstånd, grödtäthet och konkurrens

Radavståndet och grödans täthet är viktiga för utnyttjandet av kvävet i alley cropping systemet. Studier som utreder optimalt förhållande mellan träd och gröda är viktigt. Det finns mycket lite undersökt när det gäller konkurrens mellan gröda och träd. De flesta försök som utförts har bara varit enkla jämförelser på vardera komponentens skörd. (Nyamai, 1989)

Diskussion

Det återstår många frågetecken när det gäller kvävefixering hos träd. Metoder för att mäta trädens kvävefixerande förmåga är bättre anpassade för annuella baljväxter än för perennaträd. Metoderna ger möjligen inte en rättvisande bild av omfattningen av kvävefixeringen. Det framgår av litteraturen att utformning av andra mätmetoder, som baseras på tungt kväve (15N) är under utveckling och att dessa metoder är bättre anpassade för träd (Danso et al. 1990).

Det är svårt att få en enhetlig bild på kvävepotentialen hos olika träd då uppgifter i litteraturen skiljer sig mycket och då olika forskare har använt olika metoder. Trädet Leucaena framstår ändå som intressant för sin höga kvävefixerande potential.

Flera faktorer påverkar trädens kvävefixering och hur dessa faktorer verkar är inte helt klarlagt. En viktig faktor är trädens ålder. Det är inte klarlagt vad som händer med den kvävefixerande förmågan när trädet åldras och inte heller vilken effekt omsättningen av rötter och bladmassa har på kvävefixeringen på längre sikt. Försöksresultat från olika forskare visar att Leucaena kan höja skörden hos samodlad majs men uppgifter på hur försöken har utformats är vaga och det är svårt att dra några långtgående slutsatser om effektiviteten i kväveutnyttjande i systemet. Frågan om konkurrens om vatten, näring och ljus mellan träd och gröda berörs mycket lite. Enligt Nyamai (1989) är få studier utförda på området.

Omfattande fortsatt forskning krävs på området för att förstå vilken roll de kvävefixerande träden kan ha i odlingssystemet. Trots många oklarheter så är tanken att minska handelsgödselbehovet med hjälp av träd som försörjer grödan med kväve intressant. Träden kan även ha andra gynnsamma effekter på t ex mullhalt och markstruktur och de har den fördelen över örtartade baljväxter att de är långvariga perenner och håller marken konstant bevuxen.

Summary

Production and utilization of nitrogen in an agroforestry system.

Agroforestry represents a land use system involving management of trees in association with agricultural crops. There is a great interest in using nitrogen fixing trees in agroforestry systems as a nitrogen source, to be used by the associated crop. This would reduce the dependency on commercial fertilizers.

This paper deals with nitrogen fixing trees, especially the potential to fix nitrogen and factors effecting the nitrogen fixation. It also deals with the ability of the associated crop to utilize the ni trogen from greenmanure.

Leucaena leucocephala is reported to fix up to 550 kg nitrogen per hectar and year. Observations made during six years of production in Nigeria showed that grain yield of maize cropped with Leucaena can be maintained at 2 tons/ha with only addition of leucaena manure. Maize yield in the control plot without any fertilizer declined to a low level of 500 kg/ha during this period.

Various factors affect ni trogen fixation in trees. They include the age of trees, environmental effects and management effects. This factors are not completely examined and need future studies.

Bilaga 1

Användningsområde för några kvävefixerande tropiska träd och buskar och deras fixeringspotential (Young, 1989).

 

Familj           Art                N-fixering kg ha-1  Användningsområden
Leguminoseae:    Leucaena           100-500             foder, ved, timmer
Mimosideae       leucocephala                          
                 Acacia albida      20                  ved, timmer, markförbättring
                 Acacia mearnsii    200                 markförbättring, byggmaterial,
                                                        vindskydd
                 Prosopis           25-50               markförbättring, timmer, virke m m.
                 glandulosa
Paplionideae     Sesbania sesban    100                 foder, läkemedel
Caesalpinoideae  Cassia fistula     ja                  ved, virke
                 Cassia javanica    ja                  ved, virke
Casuarina        Casuarina spp      60-110              ved, timmer, oljefrö, foder

 

Litteraturförteckning

Danso, S.K.A. & Bowen, G.D. & Sanginga, N. 1992. Biological nitrogen fixation in trees in agro-ecosystems. Plant and Soil141:177-196.

Högberg, P. 1986. Mycorrhizas and nitrogen-fixing root nodules in trees in east and south-central africa. (Swedish University of Agriculture Sciences, Department of Forest Site Research, Stencil No. 5). 37 pp. Uppsala.

Kang, B.T. & Duguma, B. 1983. Nitrogen management in alley cropping systems. In: Kang, B.T. & Van der Heide, J., (eds.) Nitrogen Management in Farming Systems in Humid and Subhumid Tropics. 269-284.

Kang, B.T. & Sipkens, L. & Wilson, G.F. & Nangju, D. 1981. Leucaena (Leucaena leucocephala (Lam) de Wit) prunings as nitrogen source for maize (Zea mays L.). Fertilizer Research 2: 279-287.

Liya, S.M., 1990. Estimation of nitrogen fixation by nitrogen fixing trees in the subhumid tropics using. Paper presented at fourth African Association for Biological Nitrogen Fixation, IITA, Ibadan.

Mulongoy, K & Akobundu, I.O. 1990. Agronomic and economic benefits of nitrogen contributed by legumes in live-mulch and alley cropping systems. In: Gresshoff, Roth, Stacey & Newton (eds.) Nitrogen Fixation: Achievements and objectives. New York, London: Chapman and Hall.

Nyamai, D. 1989. Evaluation of existing management practices in hedgerow intercropping/alley cropping and their implications on nitrogen utilization and soil environment. Paper presented at Proceedings held by the International Foundation for science (IFS). ICRAF, Kenya.

Nair, P.K.R. 1984. Soil Productivity Aspects of Agroforestry. Nairobi: ICRAF, 85 pp.

Sanginga, N. & Mulongoy, K. & Ayanaba, A. 1985. Effect of inoculation and mineral nutrients on nodulation and mineral growth of Leucaena leucocephala. In: Ssala & Keya (eds.) Biological Nitrogen Fixation in Africa. Kenya, Nairobi.

Young, A. 1989. Agroforestry for Soil Conservation. Exeter: BPCC Wheatons Ltd.

Woodmansee, R.G. 1984. Comparative nutrient cycles of naturel and agricultural ecosystems: A step toward principles. - Agricultural ecosystems, unifying concepts, p. 145-156.