Assessment of farming systems and cover configuration options that enhance natural regulation of herbivorous arthropod abundance in maize-fields
Date
2018-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Maize, Zea mais, is grown globally and is a leading staple crop in sub-Saharan Africa, where it
crucially sustains many household economic and nutritional needs, and the continent’s food
security. However, its production is curtailed by damage from a range of herbivorous arthropods,
undermining its potential to fulfil increasing demand from a growing population. In Kenya, maize
is produced primarily by small-scale subsistence farmers who have limited economic capacity for
commercially-based arthropod herbivore control. Whereas the scale of future crop arthropod
damage is projected to increase due to global warming, low economies of operational scale
undermine many farmers’ ability to increase their response investment to forestall anticipated crop
losses. This calls for measures for crop-field arthropod control that are affordable yet affective for
sustainable maize production. I investigated a range of agronomic management practices that may
be applied in fostering natural suppression of arthropod herbivore abundance across 16 non-Bt
maize-fields in western Kenya. I assessed how structural configurations and cover elements
including hedgerows, on-farm trees, crop-cover patterns, woodlots and maize cover proportion
enhance farm-level habitat complexity to attract predatory arthropods and insectivorous birds for
top-down suppression of herbivorous arthropods. I compared effects of these variables on
abundance, richness and diversities of arthropod and birds species between organic and
conventional farming systems and between monocultured maize versus maize inter-cropped with
legume crops. To assess potential for herbivorous arthropod reduction rates, I analysed δ13C and
δ
15N stable isotope signatures to track maize carbon through herbivorous arthropods to arthropod
predators, and also established a bird exclusion experiment to test insectivorous birds’ contribution
to reducing arthropod abundance. By grouping farms into structural clusters, I further tested how
arthropod and bird assemblage turnovers differed between local farm-level and wider spatial scales
and along a heterogeneity gradient. Organic rather than conventional farming was more supportive
of local-scale arthropod abundance, together with inter-copping, but not at wider spatial levels.
However, organic farming was less important than crop diversity in boosting insectivorous bird
abundance and richness. Herbivorous arthropods were significantly attracted to fields with higher
maize cover proportions especially on conventional farms, suggesting susceptibility of
monocultured maize to proliferous arthropod herbivory. Higher hedgerow volume, tree densities
and larger woodlots enhanced all arthropod guild and bird aggregations at both spatial scales.
Although the bird exclusion experiment proved insectivorous birds’ linkage to herbivorous
arthropod suppression at local-farm level, this effect was not evident at wider spatial scales. Stable isotope analyses revealed a stronger predator-herbivore trophic linkage under inter-cropping
systems, with lepidopteran herbivores the most significant consumers of both maize and legumes.
On the other hand, ants showed the best capacity to suppress maize-consuming arthropods while
wasps and beetles would best reduce legume consumers. The findings demonstrate that there is a
wide range of farm-level habitat management practices for enhancing habitat complexity to boost
natural top-down herbivore suppression across maize-fields, but greater effectiveness is achievable
through synergistic application of measures rather than individualistic approaches. Furthermore, a
multi-spatial scale strategy in applying appropriate techniques would maximize landscape
resilience against herbivorous arthropods.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Mielies, Zea mais, word wêreldwyd gekweek en is 'n belangrike stapelvoedsel gewas in subSahara Afrika, waar dit baie huishoudelike ekonomiese en voedingswaarde behoeftes onderhou, en die vasteland se voedselsekerheid. Produksie word egter belemmer deur skade van 'n verskeidenheid van herbivoriese arthropoda, wat die gewas se potensiaal om die toenemende aanvraag van 'n groeiende bevolking ondermyn. In Kenia word mielies hoofsaaklik geproduseer deur klein-skaalse bestaansboere wat beperkte ekonomiese kapasiteit het vir kommersieelgebaseerde beheer van herbivoriese arthropoda. Terwyl toekomstige arthropod skade aan gewasse voorspel word om te vererger as gevolg van aardverwarming, sal lae ekonomieë van operasionele skaal baie boere se vermoë om hul beleggings verminder in arthropoda-beheer om verwagte verliese verhoog te kortwiek. Dit vra vir alternatiewe oplossings vir gewas-veld arthropoda bestuur wat effektief en bekostigbaar is vir volhoubare mielieproduksie. Ek het 'n reeks van agronomiese bestuur praktyke ondersoek wat toegepas kan word vir die bevordering van natuurlike onderdrukking van herbivoriese arthropoda in 16 nie-Bt mielie-velde in Wes-Kenia. Ek het beoordeel hoe strukturele konfigurasies en dekking elemente insluitend kantheinings, plaasbome, gewas-bedekking patrone, brandhoutpersele en mielies bedek-verhouding plaasvlak habitat kompleksiteit verbeter deur predatoriese artropoda insekvretende voëls te lok vir top-af onderdrukking van herbivoriese artropoda. Ek het die effekte van hierdie veranderlikes ondersoek op oorvloed, rykdom en diversiteit van arthropod en voëls spesies tussen organiese en konvensionele boerdery stelsels en tussen enkelgewas mielies teenoor mielies gegroei tussen gewasse. Om potensiaal vir herbivoriese arthropoda verminderingstempos te assesseer, het ek δ 13C en δ 15N stabiele isotoop waardes ontleed om mielie koolstof deur herbivoriese arthropoda tot arthropoda predatore te volg, en het ook 'n voël-uitsluitings eksperiment daar gestel om te toets insekvretende voëls se bydrae tot die vermindering van arthropoda oorvloed te bepaal. Deur plase in strukturele groepe te plaas, ek verder getoets hoe arthropoda en voël aggregasies verskil tussen plaasvlak en breër ruimtelike skale langs ʼn gradient van heterogeniteit. Organiese eerder as konvensionele boerdery was meer ondersteunend van plaaslike-skaal arthropod oorvloed, tesame met wisselbou, maar nie by breër ruimtelike vlakke nie. Organiese boerdery was egter minder belangrik as gewas diversiteit in die bevordering van insectivorous voël oorvloed en rykdom. Herbivoriese arthropoda was aansienlik aangetrokke tot velde met hoër mielie bedekkings proporsies, veral op konvensionele plase, wat dui op vatbaarheid van enkelgewas mielies teen hoë arthropoda herbivorie. Hoër kantheinings volume, boomdigthede en groter brandhoutpersele versterkte alle arthropod gilde en voël aggregasies by beide ruimtelike skale. Hoewel die voël-uitsluiting eksperiment bewys dat insekvretende voëls gekoppel kan word aan herbivoriese arthropod onderdrukking op plaaslike vlak, was hierdie effek was nie duidelik by breër ruimtelike skale nie. Stabiele isotoop analise het 'n sterker predator-herbivoor trofiese koppeling geopenbaar onder inter-gewas stelsels, met sprinkaanagtige herbivore die mees beduidende verbruikers van beide mielies en peulgewasse. Aan die ander kant het miere die beste kapasiteit gewys om te onderdruk mielie-vretende arthropoda te onderdruk terwyl wespes en kewers sal beste peulgewas verbruikers verminder. Die bevindings toon dat daar 'n wye verskeidenheid van plaasvlak habitat bestuur praktyke vir die verbetering van habitat kompleksiteit om natuurlike top-af herbivoor onderdrukking op mielie-velde ʼn hupstoot te gee, maar groter doeltreffendheid is haalbaar deur sinergistiese toepassing van maatreëls eerder as individualistiese benaderings. Verder, 'n multi ruimtelike skaal strategie om toepaslike tegnieke toe te pas, sal landskap elestisiteit teen herbivorous grondgeleedpotige diere maksimaliseer.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Mielies, Zea mais, word wêreldwyd gekweek en is 'n belangrike stapelvoedsel gewas in subSahara Afrika, waar dit baie huishoudelike ekonomiese en voedingswaarde behoeftes onderhou, en die vasteland se voedselsekerheid. Produksie word egter belemmer deur skade van 'n verskeidenheid van herbivoriese arthropoda, wat die gewas se potensiaal om die toenemende aanvraag van 'n groeiende bevolking ondermyn. In Kenia word mielies hoofsaaklik geproduseer deur klein-skaalse bestaansboere wat beperkte ekonomiese kapasiteit het vir kommersieelgebaseerde beheer van herbivoriese arthropoda. Terwyl toekomstige arthropod skade aan gewasse voorspel word om te vererger as gevolg van aardverwarming, sal lae ekonomieë van operasionele skaal baie boere se vermoë om hul beleggings verminder in arthropoda-beheer om verwagte verliese verhoog te kortwiek. Dit vra vir alternatiewe oplossings vir gewas-veld arthropoda bestuur wat effektief en bekostigbaar is vir volhoubare mielieproduksie. Ek het 'n reeks van agronomiese bestuur praktyke ondersoek wat toegepas kan word vir die bevordering van natuurlike onderdrukking van herbivoriese arthropoda in 16 nie-Bt mielie-velde in Wes-Kenia. Ek het beoordeel hoe strukturele konfigurasies en dekking elemente insluitend kantheinings, plaasbome, gewas-bedekking patrone, brandhoutpersele en mielies bedek-verhouding plaasvlak habitat kompleksiteit verbeter deur predatoriese artropoda insekvretende voëls te lok vir top-af onderdrukking van herbivoriese artropoda. Ek het die effekte van hierdie veranderlikes ondersoek op oorvloed, rykdom en diversiteit van arthropod en voëls spesies tussen organiese en konvensionele boerdery stelsels en tussen enkelgewas mielies teenoor mielies gegroei tussen gewasse. Om potensiaal vir herbivoriese arthropoda verminderingstempos te assesseer, het ek δ 13C en δ 15N stabiele isotoop waardes ontleed om mielie koolstof deur herbivoriese arthropoda tot arthropoda predatore te volg, en het ook 'n voël-uitsluitings eksperiment daar gestel om te toets insekvretende voëls se bydrae tot die vermindering van arthropoda oorvloed te bepaal. Deur plase in strukturele groepe te plaas, ek verder getoets hoe arthropoda en voël aggregasies verskil tussen plaasvlak en breër ruimtelike skale langs ʼn gradient van heterogeniteit. Organiese eerder as konvensionele boerdery was meer ondersteunend van plaaslike-skaal arthropod oorvloed, tesame met wisselbou, maar nie by breër ruimtelike vlakke nie. Organiese boerdery was egter minder belangrik as gewas diversiteit in die bevordering van insectivorous voël oorvloed en rykdom. Herbivoriese arthropoda was aansienlik aangetrokke tot velde met hoër mielie bedekkings proporsies, veral op konvensionele plase, wat dui op vatbaarheid van enkelgewas mielies teen hoë arthropoda herbivorie. Hoër kantheinings volume, boomdigthede en groter brandhoutpersele versterkte alle arthropod gilde en voël aggregasies by beide ruimtelike skale. Hoewel die voël-uitsluiting eksperiment bewys dat insekvretende voëls gekoppel kan word aan herbivoriese arthropod onderdrukking op plaaslike vlak, was hierdie effek was nie duidelik by breër ruimtelike skale nie. Stabiele isotoop analise het 'n sterker predator-herbivoor trofiese koppeling geopenbaar onder inter-gewas stelsels, met sprinkaanagtige herbivore die mees beduidende verbruikers van beide mielies en peulgewasse. Aan die ander kant het miere die beste kapasiteit gewys om te onderdruk mielie-vretende arthropoda te onderdruk terwyl wespes en kewers sal beste peulgewas verbruikers verminder. Die bevindings toon dat daar 'n wye verskeidenheid van plaasvlak habitat bestuur praktyke vir die verbetering van habitat kompleksiteit om natuurlike top-af herbivoor onderdrukking op mielie-velde ʼn hupstoot te gee, maar groter doeltreffendheid is haalbaar deur sinergistiese toepassing van maatreëls eerder as individualistiese benaderings. Verder, 'n multi ruimtelike skaal strategie om toepaslike tegnieke toe te pas, sal landskap elestisiteit teen herbivorous grondgeleedpotige diere maksimaliseer.
Description
Thesis (PhDConsEcol)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Corn -- Breeding, Maize -- Breeding, Corn -- Diseases and pests -- Biological control, UCTD, Phytophagous insects -- Biological control, Cover crops, Crop diversification, Organic farming