Water and soil management across agricultural land use and climatic gradient of Mt. Kilimanjaro

Titelangaben

Kimaro, Jerome Gadi:
Water and soil management across agricultural land use and climatic gradient of Mt. Kilimanjaro.
Bayreuth , 2022 . - x, 106 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Mountainous agroecosystems are critically important for agricultural production. However, they are increasingly degraded due to human-induced disturbances such as soil erosion, nutrients loss, deforestation, and water loss. Fertile soils and water resources are scarce resources and strongly competed for among farmers to meet their production targets. In consideration of increased human food demands, and rapid land-use conversion, the conservation of mountain agroecosystems deserves special attention to guarantee a sustainable and long-term ecosystem services provision. The objective of this thesis is to analyse the management of soil and agricultural water use in the southern slopes of Mt. Kilimanjaro, with respect to different farming systems and along an elevational gradient. A total of four related studies were conducted: our first two studies analyse the distribution and discharge of irrigation canals and management of agricultural water in the agroecosystem. The third study examines available local knowledge on soil erosion and compares the extent of soil erosion under different farming systems. Finally, the fourth study assesses differences in soil properties under different farming systems and along an elevational gradient in the mountain agroecosystem. To analyse the discharge patterns of traditional irrigation systems, we monitored water flows in canals in eleven locations at different altitudes and during the dry and wet seasons. Canal water levels were recorded times a day, i.e., in the morning, afternoon, and evening for the duration of eight months. Potential causes responsible for canal flow fluctuations, such as irregular cleaning and blockage, were also recorded. It found that canals’ discharge was nearly twice in the lower compared to the upper elevation zone. The median daily discharges equalled 12.6 l/s, 9.5 l/s, and 7.0 l/s in the lower, mid, and upper areas, respectively. Discharge was also higher during the dry compared to wet seasons. In some villages, canals have changed their annual discharge patterns from perennial to seasonal. An even distribution of canal water among users was not possible due to topographical attributes, in particular terrain ruggedness and slope. Excessive water losses were attributed to excessive water leakage. To analyse the local knowledge about soil erosion management and indicators of soil erosion, a socio-economic survey through Focus Group Discussions (FGDs) was conducted. We found that the majority of local farmers were well-informed about erosion control methods and indicators of soil erosion. However, challenges, such as low income and lack of land ownership, limit their effective participation in sustainable soil management. To analyse patterns of soil erosion, six erosion traps were installed under maize and agroforestry systems. Rainfall, run-off, and sediment losses were monitored during the heavy rainy seasons. Land cover change within crop units employed analysis of Google Earth Pro images. The run off was nearly twice in the lower compared to upper elevation zones under both maize and agroforestry. Run-off decreased significantly in the mid and upper compared to the lower elevation zones (-21.2 l and -17.8 l, respectively). Also, a run-off was significantly higher under maize compared to agroforestry (13.4 l). Sediment loss was three times higher in the lower compared to the upper elevations, and seven times higher under maize compared to agroforestry. Sediment loss decreased slightly between the mid and upper elevation zones (-31.5 g and -31.3 g, respectively), and increased under maize (13.4 g) compared to agroforestry. Rainfall was positively correlated with surface run-off, and the difference was significant between the two farming systems. Farm vegetation was different between the two farming systems: under agroforestry, perennial vegetation cover dominated, with a higher proportion in the upper and midelevation zone. Seasonal vegetation cover was dominant under the maize system in the lower elevation zone. Fodder patches and settlement areas indicated only a small proportion under both farming systems. We suggest that current patterns of farm vegetation cover contribute strongly to patterns of surface run-off and sediment loss in the study area. To analyse differences in soil properties, 24 sampling plots were established across different elevational gradients and farming systems It was found that sand content increased, clay content and bulk density decreased with increasing elevation. Soil C and N contents were slightly lower in maize compared to agroforestry, but not soil P. Soil C and N contents increased in the upper compared to the lower elevation zones, while P decreased. The content of cations from CEC showed a heterogeneous picture, the largest difference was that soil Ca and Mg were lower in the upper elevation zones. It was found that spatial variation in soil properties is influenced by both management and hereditary conditions of the soil within the ecosystem. Soil properties are combined in different proportions along an elevational gradient and under different farming systems, which impact soil functions and community well-being differently from one location of the agroecosystem to another. We conclude that the consequences of the current management of agricultural water and soil vary at a spatial scale, thus requiring solutions that are location-specific and prioritized differently. Therefore, farming systems transition in mountainous agroecosystem requires acknowledging the contribution of different knowledge disciplines and reinforcement of multi-stakeholders efforts.

Abstract in weiterer Sprache

Gebirgige Agrarökosysteme sind für die landwirtschaftliche Produktion von entscheidender Bedeutung. Sie werden jedoch zunehmend durch vom Menschen verursachte Störungen wie Bodenerosion, Nährstoffverlust, Entwaldung und Wasserverlust gefährdet. Fruchtbare Böden und Wasserressourcen sind unter Landwirten stark umkämpft, um ihre Produktionsziele zu erreichen. Angesichts der gestiegenen Nachfrage nach menschlicher Nahrung, der raschen Veränderung der Landnutzung und des Klimawandels verdient die Erhaltung der Berg- Agrarökosysteme im Zusammenhang mit der Erbringung von Ökosys temleistungen besondere Aufmerksamkeit. Ziel dieser Arbeit ist es, die Bewirtschaftung des Bodens und des landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs an den Südhängen des Kilimandscharo im Hinblick auf sich ändernde landwirtschaftliche Systeme und Höhenunterschiede zu analysieren. Insgesamt wurden vier thematisch zusammenhängende Studien durchgeführt. Unsere ersten beiden Studien analysieren die Verteilung von und Abfluss in Bewässerungskanälen sowie die Bewirtschaftung von landwirtschaftlich genutztem Wasser in Agrarökosystemen. Die dritte Studie untersucht das verfügbare lokale Wissen zu Bodenerosion und vergleicht das Ausmaß der Bodenerosion unter verschiedenen landwirtschaftlichen Systemen. Schließlich bewertet die vierte Studie Veränderungen der Bodeneigenschaften unter verschiedenen Anbausystemen und Höhengradienten im Agrarökosystem. Um die Abflussmuster traditioneller Bewässerungssysteme zu analysieren, haben wir an elf Standorten in unterschiedlichen Höhenlagen Wehre installiert und den Kanalabfluss während der Trocken- und Regenzeit gemessen. Die Wehre wurden dreimal täglich, morgens, nachmittags und abends 8 Monate lang abgelesen. Potentielle Ursachen für Abflussschwankungen in den Kanälen wie z.B. unregelmäßige Reinigung und blockierte Kanäle wurden ebenfalls erfasst. Es wurde festgestellt, dass der Abfluss mit abnehmender Höhenlage am Kilimandscharo zunahm. Der Median des täglichen Abflusses betrug 12.6, 9.5 und 7.0 l/s jeweils in der unteren, mittleren und höheren Lage. Zudem war der Abfluss während der Trockenzeit höher als während der Regenzeit. In einigen Dörfern haben Kanäle ihre jährlichen Abflussmuster von mehrjährig auf saisonal geändert. Eine gleichmäßige Verteilung des Kanalwassers unter den Nutzern war aufgrund von topografischen Merkmale, insbesondere aufgrund der Unwägbarkeit des Geländes, nicht möglich. Übermäßige Wasserverluste wurden auf die schwache Struktur nicht ausgekleideter Kanäle, die schlechte Bewirtschaftung, die Durchlässigkeit des Bodens und die übermäßige Leckage zurückgeführt.Um das lokale Wissen über das Boden erosionsmanagement und die Indikatoren für die Bodenerosion zu verstehen, wurde eine sozialökonomische Umfrage in Form von führt. Um die Muster der Bodenerosion zu bestimmen, wurden sechs Erosionsfallen unter Mais- und Agroforstsystemen installiert. Niederschlags-, Abfluss- und Sedimentver luste wurden während starker Regenzeiten überwacht. Die Änderung der Landbedeck ung innerhalb der Ernteeinheiten verwendete die Analyse von Google Earth Pro-Bildern. Herausforderungen, geringem Einkommen und mangelndem Landbesitz, die eine wirk same Beteiligung an einer nachhaltigen Bodenbewirtschaftung einschränken. Abfluss und Sedimentverlust nahmen mit abnehmender Höhe zu und unterscheiden sich signifikant zwischen Mais und Agroforst. Der Niederschlag korrelierte positiv mit dem Oberflächenabfluss und der Unterschied zwischen den beiden landwirtschaftlichen Systemen war signifikant. Die Stärke der Beziehung variierte jedoch mit der Höhe. Die Vegetationsbedeckung der landwirtschaftlichen Betriebe zeigte einen scharfen Kontrast zwischen den beiden landwirtschaftlichen Systemen. In der Agroforstwirtschaft dominierte die mehrjährige Vegetationsbedeckung mit einem höheren Anteil in der oberen und mittleren Höhenzone. Die saisonale Vegetationsbedeckung war unter dem Maissystem in der unteren Höhenzone dominant. Futteranbau- und Siedlungsflächen wiesen in beiden landwirtschaftlichen Systemen nur einen geringen Anteil auf. Der Vergleich der Bodeneigenschaften über verschiedene Höhengradienten und landwirtschaftliche Systeme hinweg wurde auf 24 Plots unter Verwendung multivariater statistischer Methoden durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Sandgehalt zunahm, der Tongehalt und die Lagerungsdichte mit zunehmender Höhe abnahmen. Die Gehalte an C und N waren bei Mais im Vergleich zur Agroforstwirtschaft geringfügig niedriger, nicht jedoch bei P. Die Gehalte an C und N nahmen im oberen Bereich im Vergleich zu den unteren Höhenzonen zu, während P abnahm. Der Gehalt an Kationen aus der Bestimmung der Kationenaustauschkapazität zeigte ein heterogenes Bild, der größte Unterschied waren die Abnahme von Ca und Mg in der oberen Höhenzone. Wir schließen daraus, dass die Folgen der derzeitigen Versorgung mit landwirtschaftlich genutztem Wasser und seiner Abflussdynamik räumlich unterschiedlich sind und daher Lösungen erfordern, die standortspezifisch sind und unterschiedliche Prioritäten setzen. Strukturelle Änderungen, die die Beförderungseffizienz und die Verteilung des landwirtschaftlichen Wassers verbessern würden, sind er forderlich. Das Bewusstsein der Landwirte für Bodenerosion und die Anstrengungen zur Bekämpfung der Bodenerosion stimmen nicht gut überein. Dies zeigt das Vorhanden sein verschiedener sozioökonomischer Einschränkungen hinsichtlich ihrer Annahme. Das unterschiedliche Ausmaß des Oberflächenabflusses und des Sedimentverlusts zwischen Mais und Agroforstsystemen zeigt, dass die Landwirte zwischen den beiden Anbausystemen unterschiedliche Ebenen der Bodenbewirtschaftung anbieten. Aktuelle Muster der Vegetationsbedeckung auf dem Bauernhof tragen stark zu Mustern des Oberflächenabflusses und des Sedimentverlusts im Untersuchungsgebiet bei. Die räumliche Variation der Bodeneigenschaften wird sowohl von der Bewirtschaftung als auch von den erblichen Bedingungen des Bodens innerhalb des Ökosystems beeinflusst. Die Bodeneigenschaften werden in unterschiedlichen Anteilen entlang des Höhengradienten und unter verschiedenen Anbausystemen kombiniert, was sich unterschiedlich auf die Bodenfunktionen und das Wohlbefinden der Bevölkerung von einem Ort des Agrarökosystems zum anderen auswirkt. Die Auswirkungen einer nicht nachhaltigen Bewirtschaftung von Boden und Wasser in bergigen Agrarökosystemen könnten mehr sein als in dieser Studie behandelt. Weitere Studien zu menschlichen Aktivitätsmustern bei verschiedenen physikalisch chemischen Prozessen in der tropischen Berglandwirtschaft sind erforderlich.