Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical...

6
17 Ibewiro et al.: N 2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21 Research Article Optimizing Nitrogen Management in Food and Energy Production and Environmental Protection: Proceedings of the 2nd International Nitrogen Conference on Science and Policy TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21 ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.345 * Corresponding author. Present address: CDFA, PO Box 11239, Costa Mesa, CA 92627. Fax: (714) 708-1919 Email: [email protected] © 2001 with author. Increasing use of herbaceous legumes such as mucuna ( Mucuna pruriens var. utilis [Wright] Bruck) and lablab (Lablab purpureus [L.] Sweet) in the derived savannas of West Africa can be at- tributed to their potential to fix atmospheric ni- trogen (N 2 ). The effects of management practices on N 2 fixation in mucuna and lablab were exam- ined using 15 N isotope dilution technique. Dry matter yield of both legumes at 12 weeks was two to five times more in in situ mulch (IM) than live mulch (LM) systems. Land Equivalent Ratios, how- ever, showed 8 to 30% more efficient utilization of resources required for biomass production under LM than IM systems. Live mulching reduced nod- ule numbers in the legumes by one third compared to values in the IM systems. Similarly, nodule mass was reduced by 34 to 58% under LM compared to the IM systems. The proportion of fixed N 2 in the legumes was 18% higher in LM than IM systems. Except for inoculated mucuna, the amounts of N fixed by both legumes were greater in IM than LM systems. Rhizobia inoculation of the legumes did not significantly increase N 2 fixation compared to uninoculated plots. Application of N fertilizer re- duced N 2 fixed in the legumes by 36 to 51% com- pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of cover cropping, N fertilization, and rhizobia inoculation on N contributions of legumes into tropical low-input systems were discussed. KEY WORDS: inoculation, in situ mulch, lablab, land equivalent ratio, live mulch, maize, mucuna, 15 N, N 2 fixation, Nigeria, Rhizobium, soil fertility, West Africa DOMAINS: agricultural biotechnology, agronomy, atmo- spheric systems, bioremediation and bioavailability, ecosystem management, environmental chemistry, envi- ronmental sciences, plant processes, plant sciences, soil systems INTRODUCTION Enhancement of soil fertility through the use of herbaceous le- gumes offers an attractive source of nitrogen (N) to smallholder farmers who have seriously degraded fields in the derived sa- vanna of West Africa Mucuna (Mucuna pruriens [L] DC var utilis [Wright] Bruck) is a herbaceous legume that has received attention in West Africa for soil fertility improvement[1,2] and pest/disease control[3,4] Lablab (Lablab purpureus [L] Sweet) is an important tropical crop, although its usefulness for food, fodder, and cropping systems has not been fully developed Mucuna and lablab are used in both in situ mulch (IM) and live mulch (LM) cover cropping systems in the tropics[5] IM involves the planting of food crops into residues of a legume cover crop usually grown solely on the same spot LM is a crop production system in which herbaceous legume cover crops are planted directly into food crops Some important features of LM systems may include higher and improved yield stability com- pared to monocrops[6], improved utilization of environmental resources[7], and reduced incidence of pests and diseases Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical Cover Cropping Systems Basil Ibewiro 1,2, *, Martin Onuh 3 , Nteranya Sanginga 2 , Bernard Vanlauwe 1,2 , and Roel Merckx 1 1 Laboratory of Soil Fertility and Soil Biology, Katholieke Universiteit Leuven, Kardinaal Mercierlaan 92, 3001 Heverlee, Belgium; 2 International Institute of Tropical Agriculture, Oyo Road, P.M.B. 5320, Ibadan, Nigeria; 3 College of Agriculture, Imo State University, P.M.B. 2000, Owerri, Nigeria

Transcript of Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical...

Page 1: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

17

Ibewiro et al.: N2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21

Research ArticleOptimizing Nitrogen Management in Food and Energy Productionand Environmental Protection: Proceedings of the 2nd InternationalNitrogen Conference on Science and PolicyTheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.345

* Corresponding author. Present address: CDFA, PO Box 11239,Costa Mesa, CA 92627. Fax: (714) 708-1919

Email: [email protected]© 2001 with author.

Increasing use of herbaceous legumes such asmucuna (Mucuna pruriens var. utilis [Wright]Bruck) and lablab (Lablab purpureus [L.] Sweet)in the derived savannas of West Africa can be at-tributed to their potential to fix atmospheric ni-trogen (N2). The effects of management practiceson N2 fixation in mucuna and lablab were exam-ined using 15N isotope dilution technique. Drymatter yield of both legumes at 12 weeks was twoto five times more in in situ mulch (IM) than livemulch (LM) systems. Land Equivalent Ratios, how-ever, showed 8 to 30% more efficient utilization ofresources required for biomass production underLM than IM systems. Live mulching reduced nod-ule numbers in the legumes by one third comparedto values in the IM systems. Similarly, nodule masswas reduced by 34 to 58% under LM compared tothe IM systems. The proportion of fixed N2 in thelegumes was 18% higher in LM than IM systems.Except for inoculated mucuna, the amounts of Nfixed by both legumes were greater in IM than LMsystems. Rhizobia inoculation of the legumes didnot significantly increase N2 fixation compared touninoculated plots. Application of N fertilizer re-duced N2 fixed in the legumes by 36 to 51% com-pared to inoculated or uninoculated systems. Theimplications of cover cropping, N fertilization, andrhizobia inoculation on N contributions of legumesinto tropical low-input systems were discussed.

KEY WORDS: inoculation, in situ mulch, lablab, landequivalent ratio, live mulch, maize, mucuna, 15N, N2 fixation,Nigeria, Rhizobium, soil fertility, West Africa

DOMAINS: agricultural biotechnology, agronomy, atmo-spheric systems, bioremediation and bioavailability,ecosystem management, environmental chemistry, envi-ronmental sciences, plant processes, plant sciences, soilsystems

INTRODUCTION

������������� ����� � ���������������������������������������������� ��������� ����������������������������������� ������������� ���� ������� ������������������� ������������������������� �!"#������� ���� ���!$���%� ���������������������������� ��������� � �������� ����� ����� � �� �&��������'()!���&���*� �����������+(,!� ��������� ������������ �!-����� ��� �&�������& �����&(������� ����������������(�����(�����&& ����������������������������&���

���������������������� ���������������.������ ��������� ��������&& ��������� ������& ���/!�.� ������ ���&���� ��� ����&� ����� ������ ������������&�������������������������&�� � ����&&����� ������� ��� �����������������������&����&������� ������ ������&��-�� �&�������������� ����������� ������� ������� �&����� ������� � �����&���������&��0!( �&������ � 1�� ����� �����������������2!(���������� �� ������&�������� �������

Symbiotic Performance ofHerbaceous Legumes inTropical Cover Cropping Systems

Basil Ibewiro1,2,*, Martin Onuh3, Nteranya Sanginga2,Bernard Vanlauwe1,2, and Roel Merckx1

1Laboratory of Soil Fertility and Soil Biology, Katholieke Universiteit Leuven,Kardinaal Mercierlaan 92, 3001 Heverlee, Belgium; 2International Instituteof Tropical Agriculture, Oyo Road, P.M.B. 5320, Ibadan, Nigeria; 3College ofAgriculture, Imo State University, P.M.B. 2000, Owerri, Nigeria

Page 2: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

18

Ibewiro et al.: N2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21

.������� ��� ��������������&& ����������������� ����������� �� ������& ����������� ������������&��� � � �������������������� 3����&��� �����������������&����� ��&��4�����(������������� ������������������������� ���������� ����� ���� ������������ ������� ���� ����� ���� �� ������� ������������������ ���5!�-������������������������������������������������� ���� ������ �������� � 1�� �&���6���(������� 3 �� ��&�� � � �� � ��� ������� ��� &������ �� �������������7��8���� ��� ���������&����������� ������������� 3 ��&���� ����������������������.�� �������� ������� ������������������ ���

6� �������3�� �������������������� ������ �������������� � 1������ 3�� � ���������������������.���� �������&& ����������

MATERIALS AND METHODS

6�� �3&�� ���� ��� �������� � �� �&������ ���������� ������ �������� �����.9� ������.�����(� ��� ��6��� ��������&� ��&����� ��� ���� �&�� ������������� �� ����� 1� � ������ �����������������(����� � 1�� ��:;%������������(����� ������������������������ �� ������� 1� � ��� �������� � 1���� -��&�� ��������������< �'��������.��=�)�������>�� 1�� ��=�+��������.��=�,�������>�� 1�� ��=����/��� 1��.���.��� �������/!�������� �������� &� ������� ������ ������������?�����&��� �����;�)/×;�2/������������&������ 1�������������������� 1����� ���������� ������������� ���� ����������� 1�������&����������������� ��� �� ���������� ������ ��������� �&����� ���*�� 1����3���������?������������������ ������� 1����&��������%��� ��� �������&� ��� ������������������������������ ����� ���������������� ���+;%�?������� ������&���&��&�������+;%�@������@#�������� ���� 1�������&&� ����� ���������� � 1���� �&������������( �������8����&� ���+;%������������)(,(���0���%�������� ���� 1��.� ���������� �&���(��������������������������� ��������� ��/���������������&��� ������������������� � ��';������������� 3���������������� ������������� �� ������������� ��� ���������������� ���� 1� �&&���� ������ �����&�������4�!�-A�(/B�������3����������&&� �������� ��&�������� ����������������';%������ ����� ��&�������&�������������8� ����������������������4���-A������&&� ���������� ��������&����?��������������������,(5(���')���%�=�� �� ������� ���2;�#��2)�=������&����������� ������������=��� �����1�� �� ����� ��� ������ ������ �� �� ����&�C�&��&-� ��� � �#*������1���� ������ 3�� � ��������������������������� �������� ��&�� ��� ������ 8���:!� ���� 1���������������&��������3&������� ������&�&��� ��B������������������� 3��� ��������������� �������������&�����

15

15

atom% N excess (legume)%Ndfa = 1

atom% N excess (reference crop)

100

-

¥�'�

-1 %NdfaNdfa (kg N ha ) = ×total N (legumes)

100�)�

6��� �� ������ � ��������������&����� �������&�������������������������� ��������� ���� 1����������� �� ��� ����8� ������C�� � �C���� ��������������� ���� �����0!<

legume maize

legume maize

yield LM yield LMLER =

yield IM yield IM+ �+�

�� �CD' �� ������������������������ � �������� ����.�������� ���������� ������������������(������� �C�����E' �� �������.������������������� ���������"��������3�� ����������� ����� �������AF����� ��G������ ���������G ��&�������������&�� ���� ������������������ �� ��� ����� � �� � ���� � ��������� -"��';!�������������� �� � ����������������������/B&���� � ��������

RESULTS AND DISCUSSION

"��������� ���� ��� ���������')���%���� �� � � ��� ���� ���� �.����� ���������6����'�� �� ���� 1��������� �,)B������ ��������� ����� �����')���%�(�� �� ���������5)B������ ��������� ����� ��������� �����������&&����������#��������(�� 1�� ����� ��� � �� ����������')���%�����������')B(�� ���������������:B������ ���� 1����������� �����&������ ����� ���������&&���� 1����������

6�� �C������������������������ �� ���� 1���')���%���� �����'�;5�'�+;�#���8������(��������������� � ������� �����;�+'�;�0'�����������H;�;)���;�)5���������7 ��'��6���()5�0'B���������������������� �.�������� ��������� �� � �������������� ���� ��������( ����� ���&������&������������/;B� ��� �����F������ �C ������ ������ �������������� ��&�������� ������� ��� ������� ��� ���� ���������''!�6�� ������&��������������������������� �&�������������� ������ ���� �������&���������������������������&������������&��2!������ � 1�� ����������������������� � ������������������������&����� � �� ,:B ��� �� ������ �� //B ��&���� � ����� ��������&����I�������������������� ����&������ � ������ 1� �� ��������&������� � ���������� ������� � 1��&�������������� ��� �������������������C� 1�� � ������ ���������������� �C��&����������� �� ��������� ��������������� � 1��&����C����� �� �C������ ������� � 1������������ ��� ��������� ����������� ��&��� ����&������������ � 1�� �������� �C�� 3����&����������������������')!�7�����������������

� 3�� � ���� ��������������� ����������������� ���� � ����� ����������������� �C�.������������������ � � � � ����� �� ������� � �&���� ����� � ������� ������ 1� � ��� � ������( ������ �� � ������������ ��� ��� �������( ����8������ ����� ��� ������� �C�������

���������� � ����������� ������')���%����������,:�,)'%�������7 ��)��6��������������������������������� ����,2B�������������� ����.�����������- � �����(��������� ��� ������������ �����������5,B�������������������������������� ����.�����

Page 3: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

19

Ibewiro et al.: N2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21

��������������� � ��� 1����� ���� ������� � 1������������������� 1� � ����������� �������������������������� ������������������������� �� � �������������������� � 1�� ��6����'������������������������ ���� ����������������������� �� � ������� �������������� ������������� ������������������(��������������������� ���� � ��������������� �� ���� 1��������������������������������)2B�����+;B����������&����

����.��������������������� �������������������������������+,�/5B � ���&�����.���������6�����%����&���� ���������� 1� ����� ��������� ��� ���������������������&�� � ����� ������������ �� �� �� ������� 1� �&&���� ��- � ��������������������&��������������'+!�������� 3���������/,%������ ���������� � 1�� ����)'/%������ ������ ��������.�&���(��&������ ��,0�:+B� ��� �������')���%��6����J'��

TABLE 1Effect of Rhizobia Inoculation, N Fertilization, and Cropping Systems on Shoot Dry Matter (t DM ha–1),

Nodule Numbers (plant–1), Fresh Weight (g plant–1), and N2 Fixed (%Ndfa) in Mucuna and LabLab in the Field

����������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������� �� �������������

Page 4: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

20

Ibewiro et al.: N2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21

- � �����( ������ ��� ��� /+ � :+B � �� � ������� � ��� � 3�� �( ����� �� � ,' � )0: %�� ������&&� ��� ������� � 1������������&�&�� ��� 3����

�B����� �������������+0�/'B��&�������� ��������� � �� �������� ��������#�&���� � ��� .� �������(B���� ������������ �&�����')���%���� ����������',B�����);B � �������.�������� �B���� � ������������� ������� ����� � ������� ������� ���� ������ ������������ ��&�� � � �� � � ��� ������ ���� ���������� ��������� 3�� � ������������6� ������������ 3�� ����������� ������� � � 1�� �� � �������������������� ����� � �� ��������� � ��� � 3�� ��/!�I���� �� ���� � �( ��� ������� ��&��� ���� � � ��&��C�������������� 3���� � ���&��������.�������������������� � ��� ���� ��������� � ��� � ��� ������� � ��������(��� ������� ����&����� ���������&� ������ ��� ���� �������������� ��� � ��� ���� � 3�� ���������� ������� ������������������ ���6� ��� ��� �� � �� � ���� � ��� ����� �� ��&���� �� ��� &���� ��������������� 3�� ��&�&�� ����� �������������&�����

6��&�&�� ����� 3�� ���������������� ��� ���������������,0�:+B�6������� ������B���������&��������������&��������������������������(����������� ��� �� ����(� ������� ����� ���� ������������&&��5(',!�6����������� 3�� ������������������')���%���������'/,%�������6������������ ��8���� � ����� 3�� � ��� ������� 9��� �� ��� ������ ����������&&��(��&�� ���� �����������&& ��������� ������� ����������1����������#��������� ��(����� � �&��������������

� �������� ���� ������������ �&����� ��������� �� 1���

REFERENCES

�� ������������ ��������� ������������������������ ���� ����� ��!����"�� �#�"��������$%����&�'���$��%�'���%��������������������(��)(*��

+� ,��-��������.� � ��������/� ��$-�������� ��0��%�1������+222��!���� �%� !��$!� ��"��3���%�3��� ��%�'���%��������$��!��3�4�� ���!���%������'�����'� �������� ����������������(�)�52�

(� /���!����� 0�� � �� 6�$����� ��/�� ����2�� 0$%$ �� �����%� !���� ������� ���������� � .�$!��� � �� �� ��!#"�%� ����3 ��.&�!�3��������%����!-�����#�.�����$�������)*�

5� ,��-��������.� � ��������/� ��$-�������� ��0��%�1������+222�, "�$� %���"���&!������!%� �3�!������ ��&3��!%��

��"1�!�

�!���%��������%��$�����$3��%�'���%���������� ����� ����������+75)+82�

7� ,��-��������.� � ��������/� ��$-�������� ��0��%�1������+222�9'��$�!� ��"��&3��!%�� !���� � �$!���"������%��$�����$3�� !��!���%���%�'�� %���� ���&�!�3������� ����� �����������+(5)+5+�

8� ���&�������������, !��%���� �:!��3���!� %��� ��������%� ������+��#��� �3&�� ��������%��������%�������������������������()*7�

�� ;�� ��!������������8��<�� !� !���%!� �� �31���%����%�33$ !����, �0$�!��������� ���#.#�.��%���<$��%�!� �����+��

���������������������� �������������� ��������������� �����������!�����������������������������!�������� ��������������� �� �������������������������

Page 5: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

21

Ibewiro et al.: N2 Fixation in Herbaceous Legumes TheScientificWorld (2001) 1(S2), 17–21

<��� �%������.� %��4��<���� ��;����!!������9����#.#��...#��..#��0���� ��,�������+�)�8��

*� .� � �������� ,��-��������=�$ � � �� �� <���/� ��$-����������$ ��>���#���$ �$��,���� ��/���!�����0������8��9'��$�!� �"��&3��!%�������!���� �� !���� �%� !��$!� ��"�3$%$ ��!�3�4�����- � �!������'�����'� ���"���!�#"�%��������������������)�+��

�� ������0��� ��0���������/���������0���$��3� !��"��3�$ !��" !���� �"1����&������$3��%���������������������()��7�

�2� .#.�����2��.#.�<��%��$�����$����/���� �8��(�������.!�!�!%��# ��&!%���.&�!�3��.#.��, �!!$!������&�������27���

��� �"�������� ��.!�� ������ ���*��������� ���$3�� !��%���� ��&�!�3������ �����������5�)�2�

�+� 0��! ��0�<��� ��. �&�� ���������*+�����!�� ������!� !���% !� ����!-�� ������&�� ��"������� ��-�� � !��%��������� ����� ����������+8()+�+�

�(� 6'� ����.���=�3����9���� ����3���!��>�0�����*�����%�'��&��" !���$%���� �!������"����������!�� ���&���&��� ��� �!&�������� ���������22)�27�

�5� �������6�9��� ����� ��6�>����������!���� ��1�!� � �;��� %�������� ��.&�!�3����#�� , !�� �!� ������� �"�����?�6��(�(���

�� ������� ����� �� ���������� �� ��������

,��-��������� $���0���.� � ��������/� ��$-�������� ��0��%�1�����+22���.&3��!%����"��3� %���"������%��$�����$3��� �!���%���%�'��%���� ���&�!�3���, ���!34 ���!���� �0� ���3� !� ������� �9 ���&�<���$%!� �� ��9 '�� 3� !���<��!�%!� @�<��%��� ����"�!��+ �� , !�� �!� ��� �!���� � �� "��� %�� � � .%� %�� � �� <��%&�# �������$��%���������� ��)+��

�����"��# $��� �% ��&&���"����# '��� � �( ��&&�)�������# '��� � *& ��&&�+� �����# ��"�� � �& ��&&�

Page 6: Symbiotic Performance of Herbaceous Legumes in Tropical ...downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/874694.pdf · pared to inoculated or uninoculated systems. The implications of

Submit your manuscripts athttp://www.hindawi.com

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Inorganic ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

International Journal ofPhotoenergy

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Carbohydrate Chemistry

International Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Advances in

Physical Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com

Analytical Methods in Chemistry

Journal of

Volume 2014

Bioinorganic Chemistry and ApplicationsHindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

SpectroscopyInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

The Scientific World JournalHindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Medicinal ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Chromatography Research International

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Applied ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Theoretical ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Spectroscopy

Analytical ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Quantum Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Organic Chemistry International

ElectrochemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

CatalystsJournal of