Zusammenfassung Band 88

Mutwale, Nkumbu M. (2024): Interaktive Effekte von Klima und Landnutzung auf Phosphor-Pools von Böden in Sub-Sahara Afrika

Die Böden in den Tropen und Subtropen enthalten in der Regel nur wenig Phosphor (P); dennoch sind diese Regionen trotz ihrer Bedeutung für die weltweite Nahrungsmittelproduktion in den globalen P-Daten unterrepräsentiert. Es ist bekannt, dass sowohl das Klima als auch die Landnutzung die Dynamik des Bodenphosphors beeinflussen. Wie diese Prozesse zusammenwirken, ist jedoch nur unzureichend erforscht, insbesondere für Böden in Afrika südlich der Sahara (SSA). Diese Arbeit wurde durchgeführt, um diese Wechselwirkungen zu untersuchen. Konkret habe ich mich mit den folgenden Forschungsfragen beschäftigt: (i) Wie beeinflusst das Klima den Gehalt und die Verfügbarkeit von P in Referenzbodengruppen, (ii) wie interagieren diese Effekte mit der Umwandlung der ursprünglichen Savanne in Ackerland und zukünftigen Übergängen zu aufgegebenem Brachland, und (iii) inwieweit können diese Effekte durch Praktiken der konservierenden Landwirtschaft (Conservation Agriculture, CA) rückgängig gemacht werden.
Zur Beantwortung dieser Fragen sammelte ich Bodenproben von (i) Oberböden (0-10 cm, 10-20 cm) von Arenosolen, Lixisolen und Acrisolen einheimischer Savannenwälder entlang von Klimagradienten, die sich von Mosambik bis Sambia erstrecken. Darüber hinaus habe ich weitere Proben (ii) von benachbarten Feldern mit Brache und konventioneller Bodenbearbeitung (CT) mit und ohne Düngerausbringung (iii) und (gepaarte Probenahme) von CT- und CA-Feldern entlang der gleichen Klimasequenz und Bodengruppen bis zu einer Tiefe von 0-20 cm entnommen.  Der mittlere Jahresniederschlag (MAP) reichte von 365 bis 1227 mm, während die mittlere Jahrestemperatur (MAT) nur zwischen 20 und 24°C lag. Anschließend extrahierte ich P-Fraktionen mit Hilfe der Hedley'schen sequentiellen Fraktionierung von harzaustauschbarem P, P in 0,5M NaHCO3, 0,1M NaOH, 1M HCl, und Königswasseraufschluss für Rest-P. Diese Extrakte wurden mittels induktiv gekoppelter Plasma-optischer Emissionsspektroskopie auf Gesamt-P und mittels der kolorimetrischen Molybdän-Blau-Methode auf anorganisches P untersucht. Der organische P (Po) wurde aus der Differenz zwischen dem Gesamt-P und dem anorganischen P errechnet. Schließlich wurden der organische Kohlenstoff (SOC) und der Stickstoff (N) im Boden durch trockene Verbrennung bestimmt und die Maiserträge sowohl für die CT- als auch für die CA-Felder erfasst, auch in Abhängigkeit von den NP-Düngermengen und dem verfügbaren P-Gehalt im Boden.
Ich fand heraus, dass (i) der durchschnittliche Gesamt-P-Gehalt in den Oberböden der einheimischen Savannenwälder am höchsten in Acrisols (235±76 mg kg-1) war, gefolgt von Lixisols (214±45 mg kg-1) und Arenosols (133±74 mg kg-1). Das Klima beeinflusste diese Gehalte. Wenn der MAP anstieg, nahm insbesondere die potenzielle Verfügbarkeit von P in diesen Böden auch für die NaHCO3-Po-Fraktionen zu. Diese Abhängigkeit vom MAP war jedoch bodengruppenspezifisch: Der MAP erklärte 43 % der Variabilität der NaHCO3-Po-Daten in Arenosolen, 74 % in Lixisolen und 85 % in Acrisolen für diese natürlichen Standorte. Die mittlere Jahrestemperatur (MAT) wies keine signifikanten Korrelationen zu den P-Anteilen auf. Interessanterweise konnte ich (ii) keinen signifikanten Interaktionseffekt von Klima und Landnutzung auf die P-Pools in allen Böden feststellen. Entgegen meiner Erwartung war die P-Verfügbarkeit nach der Landnutzungsänderung bei ungedüngten Lixisolen um bis zu 81 % und bei gedüngten Arenosolen um bis zu 164 % höher als auf den angrenzenden natürlichen Referenzflächen. Die brachgefallenen Flächen wiederum waren im Vergleich zu den Ackerflächen weiterhin arm an P. Abgesehen von den oben erwähnten Auswirkungen von MAP auf die P-Pools im Boden an den natürlichen Standorten blieben sie auf den brachliegenden Feldern schwach erhalten, verschwanden aber vollständig auf den aktuellen Ackerflächen der Acrisols und Arenosols. Bemerkenswert ist, dass (iii) das CA-Management die Maiserträge auf Arenosolen um 225 % und auf Acrisolen um 97 % steigerte, was auf eine zusätzliche Verbesserung der P-Verfügbarkeit im Boden zurückgeführt werden könnte, wobei die größten Vorteile für Arenosole zu verzeichnen waren, während die Auswirkungen auf die Speicherung von SOC und Gesamt-N.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bioverfügbarkeit und der P-Gehalt mit steigendem MAP zunahmen, aber die Auswirkungen auf die P-Dynamik waren bodengruppenspezifisch. Die Umwandlung von ursprünglichem Land in Ackerland verringerte den Einfluss des Niederschlagsregimes auf die P-Dynamik, welche zudem bodentypenspezifisch war. Somit wird sich der Klimawandel in unterschiedlich auf die Bodenfruchtbarkeit in verschiedenen Regionen auswirken was regions- und standortspezifische Bewirtschaftungsoptionen erforderlich macht.

Abstract Band 88

Mutwale, Nkumbu M. (2024): Interactive effects of climate and land use on soil phosphorus pools in sub-Saharan Africa

Soils of the tropics and subtropics are usually limited in phosphorus (P); yet these regions are still underrepresented in the global P data set despite their importance for global food production. Both climate and land use are known to affect the dynamics of soil P; however, how these processes interact has been poorly understood, especially not for soils in sub-Saharan Africa (SSA). This thesis was conducted to evaluate these interactions. Specifically, I addressed the following research questions: (i) how does climate affect the content and availability of P in different reference soil groups, (ii) how do these effects interact with conversions of the native savannah to cropland fields and future transitions to abandoned fallow land, and (iii) to what degree can these effects be reverted by conservation agriculture (CA) practices.
To answer these questions, I collected soil samples from (i) topsoils (0-10 cm, 10-20cm) of Arenosols, Lixisols, and Acrisols of native savannah woodlands along climate gradients stretching from Mozambique to Zambia. In addition, I further sampled (ii) from adjacent fields under fallow and conventional tillage (CT) with and without fertilizer application (iii) and (paired sampling) of CT and CA fields along the same climosequence, and from the same soil groups to a depth of 0-20 cm. Mean annual precipitation (MAP) ranged from 365 to 1227 mm, while mean annual temperature (MAT) varied from 20 to 24°C only. I then extracted P fractions using Hedley’s sequential fractionation, of resin-exchangeable P, P in 0.5M NaHCO3, 0.1M NaOH, 1M HCl, and aqua regia digestion for residual-P. These extracts were measured for total P using inductively coupled plasma–optical emission spectroscopy and for inorganic P using the colorimetric molybdenum-blue method. Organic P (Po) was calculated by the difference between total P and inorganic P. Finally, I assessed bulk soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) by dry combustion and collected maize yield data for both the CT and CA fields, also in response to NP fertilizer rates and available soil P content.
I found that (i) average total P contents in the topsoils of the native savannah woodlands were largest in Acrisols (235±76 mg kg-1), followed by Lixisols (214±45 mg kg-1) and Arenosols (133±74 mg kg-1). Climate affected these contents. When MAP increased, particularly the potential availability of P in these soils also increased for the NaHCO3-Po fractions. Yet, this dependency on MAP was soil-group-specific: MAP explained 43% of NaHCO3-Po data variability in Arenosols, 74% Lixisols, and 85% Acrisols for these native sites. Mean annual temperature (MAT) did not reveal significant correlations to P fractions. Intriguingly, (ii) I did not find any significant interaction effect of climate and land use on the P pools in all soils. Contrary to my expectation after land use change, P availability was larger by up to 81% in unfertilized Lixisols and by up to 164% P in fertilized Arenosols relative the adjacent native reference sites. The fallow sites, in turn, remained depleted in P relative to the croplands. Besides, the above-mentioned effects of MAP on soil P pools in the native sites, these were weakly sustained in the fallow fields but completely disappeared in the current croplands of Acrisols and Arenosols. Noteworthy, (iii) CA management significantly increased maize yields by 225% in Arenosols and 97% in Acrisols, which could be attributed to an additional improvement of soil P availability, with most benefits for Arenosols, while effects on the storage of SOC and total N were not apparent. Consequently, respective effects on improved yields on SOC sequestration could not be ascertained.
In conclusion, P bioavailability and content increased with increase in MAP but the degree on P dynamics were soil-group specific. Land conversion from native to croplands reduced MAP effects, which differed in reference soil groups. Thus, climate change will have different soil fertility responses in various regions, calling for region and site-specific management options.