Effects of fertilizer type and rate on partitioning of soil organic matter into pools of different stability

Type and rate of fertilizers influence the level of soil organic carbon (Corg) and total nitrogen (Nt) markedly, but the effect on C and N partitioning into different pools is open to question. The objectives of the present work were to: (i) quantify the impact of fertilizer type and rate on labile, intermediate and passive C and N pools by using a combination of biological, chemical and mathematical methods; (ii) explain previously reported differences in the soil organic matter (SOM) levels between soils receiving farmyard manure with or without biodynamic preparations by using Corg time series and information on SOM partitioning; and (iii) quantify the long-term and short-term dynamics of SOM in density fractions and microbial biomass as affected by fertilizer type and rate and determine the incorporation of crop residues into labile SOM fractions. Samples were taken from a sandy Cambisol from the long-term fertilization trial in Darmstadt, Germany, founded in 1980. The nine treatments (four field replicates) were: straw incorporation plus application of mineral fertilizer (MSI) and application of rotted farmyard manure with (DYN) or without (FYM) addition of biodynamic preparations, each at high (140 – 150 kg N ha-1 year-1; MSIH, DYNH, FYMH), medium (100 kg N ha-1 year-1; MSIM, DYNM, FYMM) and low (50 – 60 kg N ha-1 year-1; MSIL, DYNL, FYML) rates. The main findings were: (i) The stocks of Corg (t ha-1) were affected by fertilizer type and rate and increased in the order MSIL (23.6), MSIM (23.7), MSIH (24.2) < FYML (25.3) < FYMM (28.1), FYMH (28.1). Stocks of Nt were affected in the same way (C/N ratio: 11). Storage of C and N in the modelled labile pools (turnover times: 462 and 153 days for C and N, respectively) were not influenced by the type of fertilizer (FYM and MSI) but depended significantly (p ≤ 0.05) on the application rate and ranged from 1.8 to 3.2 t C ha 1 (7 – 13% of Corg) and from 90 to 140 kg N ha-1 (4-5% of Nt). In the calculated intermediate pool (C/N ratio 7), stocks of C were markedly higher in FYM treatments (15-18 t ha-1) compared to MSI treatments (12-14 t ha-1). This showed that differences in SOM stocks in the sandy Cambisol induced by fertilizer rate may be short-lived in case of changing management, but differences induced by fertilizer type may persist for decades. (ii) Crop yields, estimated C inputs (1.5 t ha-1 year-1) with crop residue, microbial bio¬mass C (Cmic, 118 – 150 mg kg-1), microbial biomass N (17 – 20 mg kg-1) and labile C and N pools did not differ significantly between FYM and DYN treatments. However, labile C increased linearly with application rate (R2 = 0.53) from 7 to 11% of Corg. This also applied for labile N (3.5 to 4.9% of Nt). The higher contents of Corg in DYN treatments existed since 1982, when the first sampling was conducted for all individual treatments. Contents of Corg between DYN and FYM treatments con-verged slightly since then. Furthermore, at least 30% of the difference in Corg was located in the passive pool where a treatment effect could be excluded. Therefore, the reported differences in Corg contents existed most likely since the beginning of the experiment and, as a single factor of biodynamic agriculture, application of bio-dynamic preparations had no effect on SOM stocks. (iii) Stocks of SOM, light fraction organic C (LFOC, ρ ≤ 2.0 g cm-3), light fraction organic N and Cmic decreased in the order FYMH > FYML > MSIH, MSIL for all sampling dates in 2008 (March, May, September, December). However, statistical significance of treatment effects differed between the dates, probably due to dif-ferences in the spatial variation throughout the year. The high proportion of LFOC on total Corg stocks (45 – 55%) highlighted the importance of selective preservation of OM as a stabilization mechanism in this sandy Cambisol. The apparent turnover time of LFOC was between 21 and 32 years, which agreed very well with studies with substantially longer vegetation change compared to our study. Overall, both approaches; (I) the combination of incubation, chemical fractionation and simple modelling and (II) the density fractionation; provided complementary information on the partitioning of SOM into pools of different stability. The density fractionation showed that differences in Corg stocks between FYM and MSI treatments were mainly located in the light fraction, i.e. induced by higher recalcitrance of the organic input in the FYM treatments. Moreover, the use of the combination of biological, chemical and mathematical methods indicated that effects of fertilizer rate on total Corg and Nt stocks may be short-lived, but that the effect of fertilizer type may persist for longer time spans in the sandy Cambisol.

Sustainability of Small Scale Farming in a Mountain Region: Case Study of the Khaling Rai Population of the Solukhumbu, Nepal

The Khaling Rai live in a remote area of the mountain region of Nepal. Subsistence farming is central to their livelihood strategy, the sustainability of which was examined in this study. The sustainable livelihood approach was identified as a suitable theoretical framework to analyse the assets of the Khaling Rai. A baseline study was conducted using indicators to assess the outcome of the livelihood strategies under the three pillars of sustainability – economic, social and environmental. Relationships between key factors were analysed. The outcome showed that farming fulfils their basic need of food security, with self-sufficiency in terms of seeds, organic fertilisers and tools. Agriculture is almost totally non-monitized: crops are grown mainly for household consumption. However, the crux faced by the Khaling Rai community is the need to develop high value cash crops in order to improve their livelihoods while at the same time maintaining food security. Institutional support in this regard was found to be lacking. At the same time there is declining soil fertility and an expanding population, which results in smaller land holdings. The capacity to absorb risk is inhibited by the small size of the resource base and access only to small local markets. A two-pronged approach is recommended. Firstly, the formation of agricultural cooperative associations in the area. Secondly, through them the selection of key personnel to be put forward for training in the adoption of improved low-cost technologies for staple crops and in the introduction of appropriate new cash crops.

Technical and scale efficiency of cassava production system in Delta State, Nigeria: an application of Two-Stage DEA approach

The present study examines the level of pure technical and scale efficiencies of cassava production system including its sub-processes (that is production and processing stages) of 278 cassava farmers/processors from three regions of Delta State, Nigeria by applying Two-Stage Data Envelopment Analysis (DEA) approach. Results reveal that pure technical efficiency (PTE) is significantly lower at the production stage 0.41 vs 0.55 for the processing stage, but scale efficiency (SE) is high at both stages (0.84 and 0.87), implying that productivity can be improved substantially by reallocation of resources and adjusting operation size. The socio-economic determinants exert differential impacts on PTE and SE at each stage. Overall, education, experience and main occupation as farmer significantly improve SE while subsistence pressure reduces it. Extension contact significantly improves SE at the processing stage but reduces PTE and SE overall. Inverse size-PTE and size-SE relationships exist in cassava production system. In other words, large/medium farms are technically and scale inefficient. Gender gap exists in performance. Male farmers are technically efficient at processing stage but scale inefficient overall. Farmers in northern region are technically efficient. Investments in education, extension services and infrastructure are suggested as policy options to improve the cassava sector in Nigeria.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.