Show simple item record

dc.contributor.advisorMulder, Jan
dc.contributor.advisorBiazin, Birhanu
dc.contributor.advisorMartinsen, Vegard
dc.contributor.authorWolancho, Kebede Wolka
dc.coverage.spatialEthiopiaen_US
dc.date.accessioned2024-09-26T13:02:26Z
dc.date.available2024-09-26T13:02:26Z
dc.date.issued2020
dc.identifier.isbn978-82-575-1739-7
dc.identifier.issn1894-6402
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/3154564
dc.description.abstractSoil and water are central resources for crop production. Soil erosion by water (water erosion) is a major cause of soil degradation and cropland productivity decline in the world. In Sub-Saharan Africa (SSA), where food security relies on smallholder agriculture, a decline in cropland productivity, due to soil degradation, is of major concern. Indigenous soil and water conservation practices exist in different parts of SSA. During the past five decades, many countries in SSA introduced government-supported programs to stimulate the use of cross slope barrier soil and water conservation (CSBSWC) techniques. These include Fanya juu1, soil bunds, stone bunds, bench terraces, grass strips, hedge rows and tied ridges. In a review (paper I), I show that, in SSA, CSB-SWC techniques reduce surface runoff and soil loss, while improving crop yield. The effect of CSB-SWC techniques on crop yield varies with rainfall and slope, with most of the CSBSWC techniques improving crop yields in low rainfall areas. Fanya juu and soil bunds are effective on relatively gentle slopes, while hedgerows and stone bunds are effective even on moderately steep slopes. In most cases, in SSA, CSB-SWC techniques are economically feasible, due to improved crop yield and low labor opportunity costs. The Bokole-Karetha watershed, dominated by steep slopes, typical for southwest Ethiopia, experiences water erosion and its negative effect on food security. To reduce erosion- related soil degradation, the government of Ethiopia promoted the use of CSBSWC techniques such as soil bunds (embankments combined with trenches) and stone bunds in the past 15 years. Traditionally, also stone bunds have been used in the area. In this watershed, enset (Ensete ventricosum Welw. Cheesman)-based homegarden is an additional form of land management important for food security. In this thesis, I present experimental, observational and modeling studies of CSB-SWC techniques on sloping cropland in addition to a descriptive study of enset-based homegardens in the Bokole- Karetha watershed to quantify effects on soil quality and crop yield. Enset, a dominant plant in homegardens, is important for food security in the region. However, effects of enset-based management on soil organic carbon (SOC) and associated soil properties have been poorly documented. Based on elevation, the Bokole-Karetha watershed was categorized into three zones, viz. high, mid and low elevation (paper II). Information on land management and soil quality of enset-based homegardens and adjacent annual cropland was collected through interviewing 49 households and soil quality assessment on 17 farms. In the plow-layer, the concentration of SOC in homegardens was about twice that in cropland. In their response to the interviews, farmers suggest that this is related to the large input of household waste and manure and to limited tillage in enset-based homegardens. The upper 60 cm of enset-based homegardens soil had 21–32 Mg ha-1 more SOC and a significantly greater fraction of water-stable macro-aggregates than adjacent cropland. Indigenous enset-based homegardens of southwest Ethiopia represent a sustainable form of land management enhancing soil quality. Despite massive construction of soil bunds (a 50 cm deep and 50 cm wide trench upslope from an embankment), quantitative assessments of their effect on soil, water and crop yield are scarce. I established three experimental maize fields (slope 22–31%), each consisting of triplicated plots without soil bunds and plots with soil bunds. Bunds were set up along the contours at a distance of ca. 10 m. Surface runoff, erosion, loss of soil nutrients and maize yields were measured and modeled for the growing seasons of 2018 and 2019 (Paper III and IV). Soil bunds intercepted 80–92% of surface runoff and prevented 96% of the soil loss during growing seasons. Without soil bunds, as much as 43 t ha-1 soil may be lost per growing season, primarily before canopy closure in the initial two months after planting maize. During this 2-month period rainfall is < 25% of the seasonal volume. Measured soil loss in the experimental fields was well explained by the Universal Soil Loss Equation (USLE). The fraction of water-stable aggregates and the soil’s stone content were inversely related to soil loss, whereas the silt fraction and surface runoff were positively related. A major proportion of soil loss leaves the cropland and watershed in suspended form, which does not readily settle in collection basins. This fraction is enriched in SOC, nitrogen (N), potassium (K) and phosphorous (P), compared to coarser sediment (which settles readily upon collection) and bulk soil. Without soil bunds, up to 733 kg SOC ha-1, 77 kg N ha-1 and 21 kg K ha-1 were removed by soil erosion per growing season. For SOC, this seasonal loss amounted to 6% of its stock in the topsoil; for N this was about 3%. Thus, soil bunds are important controls on surface runoff, strongly limiting losses of SOC and nutrients from sloping cropland in southwest Ethiopia. In 2018 and 2019, loss of SOC and nutrients from fields without soil bunds did not significantly affect maize yield; however, in the long-run, cropland productivity is expected to decrease significantly, due to erosion and associated loss of SOC and nutrients. I used field experimental data to determine the intrinsic soil fertility level and calibrated the FAO AquaCrop model to describe surface runoff, maize yield and aboveground biomass for both years (paper IV). In plots without soil bunds, the AquaCrop model described surface runoff well for both 2018 (average precipitation) and 2019 (relatively wet). Using the calibrated model, maize yields were reproduced adequately for 2018 and 2019. In accordance with measured values, the simulated maize yield did not differ between plots with and without soil bunds. AquaCrop simulations using long-term (1999–2017) climate data showed that rainfall, ranging from 600–1613 mm per season, did not have a significant effect on maize yield for two out of the three fields. Only one field showed a slight, but significant negative relationship between rainfall and simulated yield. This suggests that seasonal rainfall greater than ~600 mm in the Bokole-Karetha watershed does not cause drought stress. In its current set-up, AquaCrop does not consider long-term loss of nutrients due to soil erosion on slopes without soil bunds. Since it is likely that 18 years of erosion has a significant impact on soil fertility levels, modification of AquaCrop to account for this is important in future research. As the inherent soil fertility levels of the study area are low, soil and water conservation techniques should be combined with the application of organic or inorganic fertilizer to aid crop production. In paper V, I studied the long-term effect of 8–14 years old stone bunds on soil erosion and the resulting heterogeneity of soil quality in intra-stone bund areas. Stone bunds result in flatter intra-bund areas (terraces). Crop yield, as well as soil moisture, silt fraction, and the concentration of SOC and plant nutrients are significantly smaller at the foot of the stone bund, while increasing downslope towards the next stone bund. Different from the shortterm (2 years) studies of soil bunds, the 8 – 14 years old stone bunds show long-term effects of material transfer in the intra-bund area. The lower crop yield and soil fertility in the upper section of intra-bund areas should be managed by adjusting fertilizer applications.en_US
dc.description.abstractJord og vann er sentrale ressurser for avlingsproduksjon. Jorderosjon forårsaket av vann (vannerosjon) er en viktig årsak til jordforringelse og nedgang i produktiviteten i verdens jordbruk. I Afrika sør for Sahara (SSA), hvor matproduksjon fra småskalabønder er essensiell for matsikkerheten, er det stor bekymring for nedgang i jordbruksproduktiviteten på grunn av jordforringelse. Det eksisterer ulike tradisjonelle og lokale praksiser for å redusere jord- og vanntap i SSA. I løpet av de siste fem tiårene har mange land i SSA innført regjeringsstøttede programmer for å stimulere tiltak som reduserer vannavrenning og jorderosjon ved å etablere terskler og hindre langs konturlinjer (på tvers av helningen). En fellesbetegnelse for disse teknikkene er «cross slope barrier soil and water conservation (CSB-SWC) techniques» som bl.a. inkluderer Fanya juu (et Kiswahili-ord som refererer til å «kaste jord i oppoverbakke», og grøfter langs konturlinjene hvor utgravd jord blir lagt nedstrøms grøfta), soil bunds (en forhøyning med jord langs konturlinjene), stone bunds (en steingjerde langs konturlinjene) og grasstriper eller hekk langs med konturlinje. I en gjennomgang av publiserte studier (artikkel I) viser jeg at CSB-SWC-teknikker i SSA reduserer overflateavrenning og jordtap, samtidig som avlingene forbedres. Effekten av CSB-WCteknikker på avling varierer med nedbør og helningsgrad, hvor de fleste av CSB-SWCteknikkene viser forbedrede avlinger i områder med lite nedbør. Fanya juu og soil bunds er effektive i landskap med relativt lav helningsgrad, mens hekker og stone bunds er effektive selv i moderat bratt terreng. I SSA er CSB-SWC-teknikker i de fleste tilfeller økonomisk gjennomførbare på grunn av forbedret avling og lave arbeidskostnader. Nedbørsfeltet Bokole-Karetha er dominert av bratte bakker som er typisk for landskapet sørvest i Etiopia. I slikt terreng er det store utfordringer knyttet til vannerosjon som har negativ innvirkning på matsikkerheten. For å redusere erosjonsrelatert jordforringelse, har regjeringen i Etiopia de siste 15 årene fremmet bruken av CSB-SWC-teknikker slik som soil bunds og stone bunds. Stone bunds har også tradisjonelt blitt brukt i området. I dette nedbørsfeltet er enset (Ensete ventricosum Welw. Cheesman) -baserte homegardens (store kjøkkenhager) en ekstra form for arealbruk som er viktig for matsikkerheten. I denne ph.d.-avhandlingen presenterer jeg eksperimentelle, observasjons- og modelleringsstudier av CSB-SWC-teknikker på dyrkamark som ligger i fjellskråninger med ulik helningsgrad. I tillegg inkluderes en beskrivende studie av enset-baserte kjøkkenhager i Bokole-Karetha-nedbørsfeltet for å kvantifisere effekter på jordkvalitet og avling. Enset, som er en dominerende plante i kjøkkenhagene, er viktig for matsikkerheten i regionen. Imidlertid har effekten av enset-basert dyrkning på jordens organiske karbon (SOC) innhold og tilhørende jordegenskaper blitt dårlig dokumentert. Basert på ulike høydenivåer over havet ble nedbørsfeltet Bokole-Karetha kategorisert i tre soner, høy, middels og lav høyde (artikkel II). Informasjon om agronomisk praksis og jordkvalitet for de enset-baserte kjøkkenhagene og tilstøtende fulldyrket mark (konvensjonelt landbruk) ble samlet inn gjennom intervjuer med 49 husstander og jordkvalitetsvurdering på 17 gårder. I plogsjiktet var konsentrasjonen av SOC i kjøkkenhagene omtrent dobbelt så stor som i fylldyrket og pløyd mark. Gjennom intervjuene antyder bøndene at dette er relatert til det store innslaget av husholdningsavfall og husdyrgjødsel og begrenset jordbearbeiding i de enset-baserte kjøkkenhagene. De øvre 60 cm av jordsmonnet i kjøkkenhagene hadde 21–32 Mg ha-1 mer SOC og en betydelig større andel av vannstabile makroaggregater enn tilstøtende fylldyrka mark. De tradisjonelle enset-baserte kjøkkenhagene sørvest i Etiopia representerer en bærekraftig form for arealbruk som forbedrer jordkvaliteten. Til tross for at soil bunds (en 50 cm dyp og 50 cm bred grøft med en jordforhøyning nedstrøms grøfta) utgjør et massivt inngrep på jordbruksarealene, er det ikke mange kvantitative vurderinger av deres effekt på jord, vann og avling. Jeg etablerte tre eksperimentelle felter med mais (helning 22–31%), hvert bestående av tredobbelte felter med og uten soil bunds. Soil bunds ble satt opp langs konturene i en avstand på ca. 10 m. Overflateavrenning, erosjon, tap av næringsstoffer i jord og maisavling ble målt og modellert for vekstsesongene i 2018 og 2019 (artikkel III og IV). Soil bunds fanget opp 80–92% av overflateavrenning og forhindret 96% av jordtapet i de to vekstsesongene. Uten soil bunds kan så mye som 43 t ha-1 jord gå tapt per vekstsesong, først og fremst i de første to månedene etter planting. I løpet av denne 2-månedersperioden er nedbøren <25% av sesongmengden. Målt jordtap i forsøksfeltene ble godt forklart av en erosjonsmodell (Universal Soil Loss Equation; USLE). En økende fraksjon av vannstabile aggregater og jordens steininnhold reduserte tap av jord, mens siltfraksjonen og overflateavrenning var positivt relatert til jordtap. En stor andel av jordtapet skjer i suspendert form. Denne fraksjonen er beriket med SOC, nitrogen (N), kalium (K) og fosfor (P), sammenlignet med grovere sediment og det samlede jordsmonnet. Uten soil bunds ble opptil 733 kg SOC ha-1, 77 kg N ha-1 og 21 kg K ha-1 fjernet ved jorderosjon per vekstsesong. For SOC utgjorde dette sesongmessige tapet 6% av det totale karboninnholdet i matjorden; for N var dette ca 3%. Soil bunds er derfor viktig for å kontrollere overflateavrenning, samtidig som de begrenser tap av SOC og næringsstoffer fra dyrka mark i fjell og dalsider sørvest i Etiopia. I 2018 og 2019 påvirket ikke tap av SOC og næringsstoffer fra felt uten soil bunds maisavlingene nevneverdig. Men, på lang sikt forventes det imidlertid at avlingene vil reduseres betydelig på grunn av erosjon og tilhørende tap av SOC og næringsstoffer. Jeg brukte felteksperimentelle data for å bestemme fruktbarhetsnivået i jorda og kalibrerte FAO AquaCrop-modellen for å beskrive overflateavrenning, maisavling og overjordisk biomasse i begge årene (artikkel IV). I felter uten soil bunds beskrev AquaCrop-modellen avrenning godt både i 2018 (gjennomsnittlig nedbør) og 2019 (relativt vått år). Ved å bruke den kalibrerte modellen ble maisavlingene reprodusert tilstrekkelig for 2018 og 2019. I samsvar med målte verdier, skilte de simulerte maisavlingene seg ikke mellom felter med og uten soil bunds. AquaCrop-simuleringer ved bruk av langsiktige (1999– 2017) klimadata viste at nedbør, fra 600–1613 mm per sesong, ikke hadde en signifikant effekt på maisavling for to av de tre feltene. Bare ett felt viste en liten, men signifikant negativ sammenheng mellom nedbør og simulert avling. Dette antyder at sesongmessig nedbør større enn ~ 600 mm i Bokole-Karetha-nedbørsfeltet ikke forårsaker tørkestress. Slik AquaCrop-modellen er satt opp tas det ikke hensyn til langsiktig tap av næringsstoffer på grunn av jorderosjon i skråninger uten soil bunds. Siden det er sannsynlig at 18 års erosjon har en betydelig innvirkning på jordens fruktbarhetsnivå, er det viktig å endre AquaCrop for å ta hensyn til dette i fremtidige studier. Ettersom næringsinnhold og innhold av organisk materiale i studieområdet er lave, bør teknikker for bevaring av jord og vann kombineres med påføring av organisk eller uorganisk gjødsel for å opprettholde stabile avlinger. I artikkel V studerte jeg den langsiktige effekten av 8–14 år gamle steingjerder (stone bunds) på jorderosjon og den resulterende heterogeniteten i jordkvaliteten i områder med steingjerder. Etablering av steingjerder resulterer i flatere områder mellom steingjerdene og dannelse av terrasser. Avling, så vel som jordfuktighet, siltfraksjon og konsentrasjonen av SOC og plantenæringsstoffer er betydelig mindre i den øvre delen (nedstrømsside av steingjerde) enn i den lavere delen (oppstrømsside av steingjerde). Til forskjell fra de kortsiktige (2 år) studiene av soil bunds, viser de 8 - 14 år gamle steingjerder langsiktige effekter av materialoverføring i området mellom to steingjerder. Lavere avling og jordfruktbarhet i den øvre delen (nedstrømsside av steingjerde) enn i den lavere delen (oppstrømsside av steingjerde), kan kompenseres ved å justere mengden av gjødsel som tilføres jordene.en_US
dc.description.sponsorshipWondo Genet College of Forestry and Natural Resources (WGCFNR), Hawassa University ; Royal Norwegian Embassy at Addis Ababaen_US
dc.language.isoengen_US
dc.publisherNorwegian University of Life Sciences, Åsen_US
dc.relation.ispartofseriesPhD Thesis;2020:72
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.no*
dc.titleEffect of soil and water conservation management on surface runoff, soil erosion, soil fertility and crop yield in southwest Ethiopiaen_US
dc.title.alternativeEffekt av jord- og vannkonserverende tiltak på overflateavrenning, jorderosjon, jordfruktbarhet og avling i Sørvest-Etiopiaen_US
dc.typeDoctoral thesisen_US


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal
Except where otherwise noted, this item's license is described as Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internasjonal