Nitrogen cycle of tropical perennial crops under shade trees

Abstract

A cacao (Theobroma cacao) plantation under shade trees was studied in northern Venezuela in order to estimate nitrogen stores in the soil and plantation trees and nitrogen fluxes associated with litterfall, decomposition and harvest. The cacao plants contained 302 kg N ha⁻¹, of which woody above-ground parts made up 50%. Fine roots and leaves containedca. 60 kg N ha⁻¹. Litter on the soil surface was sampled quarterly and found to contain from 24 kg N ha⁻¹ in November to 50 kg N ha⁻¹ in May, with an annual average of 37 kg N ha⁻¹. Shade tree leaves made up 61% of the total nitrogen in the litter on the soil. Mineral soil stores of total nitrogen were 35×10³ kg N ha⁻¹, 40% of which was found in the first 20 cm depth.

Litterfall rates were studied monthly for a year; 20.9×10³ kg dry litter ha⁻¹ fell during the year, the major contribution (50%) from shade-tree leaves. The rate of nitrogen transfer with litterfall was 321 kg N ha⁻¹ yr⁻¹. Decomposition rates (k) for shade-tree leaves, cacao leaves, twigs, and flowers and fruits were 7.7, 9.5, 7.5 and 19.7 respectively. In litterbag decomposition experiments, a small increase in per cent N was observed as decomposition progressed for all fractions.

Rainfall collected during October and November contained nitrogen predominantly as NH₄, a fraction of which was retained by the canopy. Nitrogen output by harvest wasca. 45 kg N ha⁻¹ yr⁻¹, with some 20 kg N ha⁻¹ yr⁻¹ returned to the field with pod shells after processing. The net harvest output can be amply compensated for by inputs of nitrogen in shade-tree leaf litter alone. Much of this shade-tree nitrogen may be from deeper soil horizons than those exploited by cacao and possibly from biological N₂-fixation by the shade trees.

Resumen

Se estudío una plantación de cacao bajo sombra mixta en Venezuela con el fin de estimar las reservas de nitrógeno en el suelo y los cacaoteros asi como los flujos de materia orgánica y nitrógeno asociados a la caida de hojarasca, descomposición y extracción por cosecha durante un ãno. La fitomasa de los cacaoteros contenía 302 kg N ha⁻¹ de los cuales el 50% estaba en las partes leñosas aéreas. Las raices finas y las hojas conteníanca. 60kg N ha⁻¹. La hojarasca del suelo fué muestreada trimestralmente y se halló que contenía entre 24 kg N ha⁻¹ en Mayo y 50 kg N ha⁻¹ en Noviembre con un promedio anual de 37 kg N ha⁻¹. Las hojas de los árboles de sombra en este compartimiento contenían 23 kg N ha⁻¹. El suelo hasta 60 cm contenía 35×10³ kg N ha⁻¹;ca. 40% de esta cantidad se encontró en los primeros 20 cm. La caida de hojarasca se estudió mensualmente; el total anual fué de 21×10³ kg ha⁻¹ a⁻¹ materia seca con unas contribución de las hojas de sombra mayor de 50%. La tasa de transferencia de nitrógeno en la caida de hojarasca fué de 321 kg N ha⁻¹ a⁻¹. Las tasas de descomposición calculadas para los compartimientos hojas de árboles de sombra, hojas de cacaoteros, ramitas y flores mas frutos fueron de 7,7, 9,5, 7,5 y 19,7 respectivamente.

En experimentos de descomposición en bolsas de malla se encontraron pequenos aumentos en el% N en todas las fracciones de hojarasca mientras qué éstas se descomponían. La lluvia colectada en Octubre y Noviembre contenía nitrógeno predominantemente en forma amoniacal pero al pasar por el dosel la relación NH₄∶NO₃ se hizo mas estrecha. La salida de nitrógeno por cosecha se estimó en 45 kg N ha⁻¹ a⁻¹, con un posterior retorno deca. 20 kg N ha⁻¹ a⁻¹ en forma de residuos de cosecha una vez separados los granos de cacao. La salida neta de nitrógeno por cosecha puede ser ampliamente compensada por los ingresos de nitrógeno provenientes de la hojarasca de los árboles de sombra. La explotación de horizontes mas profundos del suelo y posiblemente la fijación biológica de nitrógeno en las especies de árboles leguminosos usados como sombra, pueden, explicar los rendimientos sostenidos sin fertilizantes.