Destructive and non-destructive measurements of residual crop residue and phosphorus effects on growth and composition of herbaceous fallow species in the Sahel

Little is known about the residual effects of crop residue (CR) and phosphorus (P) application on the fallow vegetation following repeated cultivation of pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.] in the Sahel. The objective of this study, therefore, was (i) to measure residual effects of CR, mulched at annual rates of 0, 500, 1000 and 2000 kg CR ha^-1, broadcast P at 0 and 13 kg P ha^-1 and P placement at 0, 1, 3, 5 and 7 kg P ha^-1 on the herbaceous dry matter (HDM) 2 years after the end of the experiment and (ii) to test a remote sensing method for the quantitative estimation of HDM. Compared with unmulched plots, a doubling of HDM was measured in plots that had received at least 500 kg CR ha^-1. Previous broadcast P application led to HDM increases of 14% compared with unfertilised control plots, whereas no residual effects of P placement were detected. Crop residue and P treatments caused significant shifts in flora composition. Digital analysis of colour photographs taken of the fallow vegetation and the bare soil revealed that the number of normalised green band pixels averaged per plot was highly correlated with HDM (r=0.86) and that red band pixels were related to differences in soil surface crusting. Given the traditional use of fallow vegetation as fodder, the results strongly suggest that for the integrated farming systems of the West African Sahel, residual effects of soil amendments on the fallow vegetation should be included in any comprehensive analysis of treatment effects on the agro-pastoral system.

Effects of fertility management strategies on phosphorus bioavailability in four West African soils

Low phosphorus (P) in acid sandy soils of the West African Sudano-Sahelian zone is a major limitation to crop growth. To compare treatment effects on total dry matter (TDM) of crops and plant available P (P-Bray and isotopically exchangeable P), field experiments were carried out for 2 years at four sites where annual rainfall ranged from 560 to 850 mm and topsoil pH varied between 4.2 and 5.6. Main treatments were: (i) crop residue (CR) mulch at 500 and 2000 kg ha^-1, (ii) eight different rates and sources of P and (iii) cereal/legume rotations including millet (Pennisetum glaucum L.), sorhum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata Walp.) and groundnut (Arachis hypogaea L.). For the two Sahelian sites with large CR-induced differences in TDM, mulching did not modify significantly the soils' buffering capacity for phosphate ions but led to large increases in the intensity factor (C_p) and quantity of directly available soil P (E_1min). In the wetter Sudanian zone lacking effects of CR mulching on TDM mirrored a decline of E_1min with CR. Broadcast application of soluble single superphosphate (SSP) at 13 kg P ha^-1 led to large increases in C_p and quantity of E_1min at all sites which translated in respective TDM increases. The high agronomic efficiency of SSP placement (4 kg P ha^-1) across sites could be explained by consistent increases in the quantity factor which confirms the power of the isotopic exchange method in explaining management effects on crop growth across the region.

Efficient phosphorus application strategies for increased crop production in sub-Saharan West Africa

Comparable data are lacking from the range of environments found in sub-Saharan West Africa to draw more general conclusions about the relative merits of locally available rockphosphate (RockP) in alleviating phosphorus (P) constraints to crop growth. To fill this gap, a multi-factorial field experiment was conducted over 4 years at eight locations in Niger, Burkina Faso and Togo. These ranged in annual rainfall from 510 to 1300 mm. Crops grown were pearl millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and maize (Zea mays L.) either continuously or in rotation with cowpea (Vigna unguiculata Walp.) and groundnut (Arachis hypogaea L.). Crops were subjected to six P fertiliser treatments comprising RockP and soluble P at different rates and combined with 0 and 60 kg N ha^-1. For legumes, time trend analyses showed P-induced total dry matter (TDM) increases between 28 and 72% only with groundnut. Similarly, rotation-induced raises in cereal TDM compared to cereal monoculture were only observed with groundnut. For cereals, at the same rate of application, RockP was comparable to single superphosphate (SSP) only at two millet sites with topsoil pH-KCl <4.2 and annual average rainfall >600 mm. Across the eight sites NPK placement at 0.4 g P per hill raised average cereal yields between 26 and 220%. This was confirmed in 119 on-farm trials revealing P placement as a promising strategy to overcome P deficiency as the regionally most growth limiting nutrient constraint to cereals.

Phosphorus placement an acid arenosols of the West African Sahel

Phosphorus (P) deficiency is a major constraint to pearl millet (Pennisetum glaucum L.) growth on acid sandy soils of the West African Sahel. To develop cost-effective fertilization strategies for cash poor farmers, experiments with pearl millet were conducted in southwestern Niger. Treatments comprised single superphosphate hill-placed at rates of 1, 3, 5 or 7 kg P ha^−1 factorially combined with broadcast P at a rate of 13 kg ha^−1. Nitrogen was applied as calcium ammonium nitrate at rates of 30 and 45 kg ha^−1. At low soil moisture, placement of single superphosphate in immediate proximity to the seed reduced seedling emergence. Despite these negative effects on germination, P placement resulted in much faster growth of millet seedlings than did broadcast P. With P application, potassium nutrition of millet was improved and seedling nitrogen uptake increased two- to three-fold, indicating that nitrogen was not limiting early millet growth. Averaged over the 1995 and 1996 cropping seasons, placed applications of 3, 5 and 7 kg P ha^−1 led to 72%, 81% and 88% respectively, of the grain yield produced by broadcasting 13 kg P ha^−1. Nitrogen application did not show major effects on grain yield unless P requirements were met. A simple economic analysis revealed that the profitability of P application, defined as additional income per unit of fertilizer, was highest for P placement at 3 and 5 kg ha^−1.

Composition and stability of organic matter fractions in soils under different land use regimes

Soil organic matter (SOM) vitally impacts all soil functions and plays a key role in the global carbon (C) cycle. More than 70% of the terrestric C stocks that participate in the active C cycle are stored in the soil. Therefore, quantitative knowledge of the rates of C incorporation into SOM fractions of different residence time is crucial to understand and predict the sequestration and stabilization of soil organic carbon (SOC). Consequently, there is a need of fractionation procedures that are capable of isolating functionally SOM fractions, i.e. fractions that are defined by their stability. The literature generally refers to three main mechanisms of SOM stabilization: protection of SOM from decomposition by (i) its structural composition, i.e. recalcitrance, (ii) spatial inaccessibility and/or (iii) interaction with soil minerals and metal ions. One of the difficulties in developing fractionation procedures for the isolation of functional SOM fractions is the marked heterogeneity of the soil environment with its various stabilization mechanisms – often several mechanisms operating simultaneously – in soils and soil horizons of different texture and mineralogy. The overall objective of the present thesis was to evaluate present fractionation techniques and to get a better understanding of the factors of SOM sequestration and stabilization. The first part of this study is attended to the structural composition of SOM. Using 13C cross-polarization magic-angle spinning (CPMAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, (i) the effect of land use on SOM composition was investigated and (ii) examined whether SOM composition contributes to the different stability of SOM in density and aggregate fractions. The second part of the present work deals with the mineral-associated SOM fraction. The aim was (iii) to evaluate the suitability of chemical fractionation procedures used in the literature for the isolation of stable SOM pools (stepwise hydrolysis, treatments using oxidizing agents like Na2S2O8, H2O2, and NaOCl as well as demineralization of the residue obtained by the NaOCl treatment using HF (NaOCl+HF)) by pool sizes, 13C and 14C data. Further, (iv) the isolated SOM fractions were compared to the inert organic matter (IOM) pool obtained for the investigated soils using the Rothamsted Carbon Model and isotope data in order to see whether the tested chemical fractionation methods produce SOM fractions capable to represent this pool. Besides chemical fractionation, (v) the suitability of thermal oxidation at different temperatures for obtaining stable SOC pools was evaluated. Finally, (vi) the short-term aggregate dynamics and the factors that impact macroaggregate formation and C stabilization were investigated by means of an incubation study using treatments with and without application of 15N labeled maize straw of different degradability (leaves and coarse roots). All treatments were conducted with and without the addition of fungicide. Two study sites with different soil properties and land managements were chosen for these investigations. The first one, located at Rotthalmünster, is a Stagnic Luvisol (silty loam) under different land use regimes. The Ah horizons of a spruce forest and continuous grassland and the Ap and E horizons of two plots with arable crops (continuous maize and wheat cropping) were examined. The soil of the second study site, located at Halle, is a Haplic Phaeozem (loamy sand) where the Ap horizons of two plots with arable crops (continuous maize and rye cropping) were investigated. Both study sites had a C3-/C4-vegetational change on the maize plot for the purpose of tracing the incorporation of the younger, maize-derived C into different SOM fractions and the calculation of apparent C turnover times of these. The Halle site is located near a train station and industrial areas, which caused a contamination with high amounts of fossil C. The investigation of aggregate and density fractions by 13C CPMAS NMR spectroscopy revealed that density fractionation isolated SOM fractions of different composition. The consumption of a considerable part (10–20%) of the easily available O-alkyl-C and the selective preservation of the more recalcitrant alkyl-C when passing from litter to the different particulate organic matter (POM) fractions suggest that density fractionation was able to isolate SOM fractions with different degrees of decomposition. The spectra of the aggregate fractions resembled those of the mineral-associated SOM fraction obtained by density fractionation and no considerable differences were observed between aggregate size classes. Comparison of plant litter, density and aggregate size fractions from soil under different land use showed that the type of land use markedly influenced the composition of SOM. While SOM of the acid forest soil was characterized by a large content (> 50%) of POM, which contained high amounts of spruce-litter derived alkyl-C, the organic matter in the biologically more active grassland and arable soils was dominated by mineral-associated SOM (> 95%). This SOM fraction comprised greater proportions of aryl- and carbonyl-C and is considered to contain a higher amount of microbially-derived organic substances. Land use can alter both, structure and stability of SOM fractions. All applied chemical treatments induced considerable SOC losses (> 70–95% of mineral-associated SOM) in the investigated soils. The proportion of residual C after chemical fractionation was largest in the arable Ap and E horizons and increased with decreasing C content in the initial SOC after stepwise hydrolysis as well as after the oxidative treatments with H2O2 and Na2S2O8. This can be expected for a functional stable pool of SOM, because it is assumed that the more easily available part of SOC is consumed first if C inputs decrease. All chemical treatments led to a preferential loss of the younger, maize-derived SOC, but this was most pronounced after the treatments with Na2S2O8 and H2O2. After all chemical fractionations, the mean 14C ages of SOC were higher than in the mineral-associated SOM fraction for both study sites and increased in the order: NaOCl < NaOCl+HF ≤ stepwise hydrolysis << H2O2 ≈ Na2S2O8. The results suggest that all treatments were capable of isolating a more stable SOM fraction, but the treatments with H2O2 and Na2S2O8 were the most efficient ones. However, none of the chemical fractionation methods was able to fit the IOM pool calculated using the Rothamsted Carbon Model and isotope data. In the evaluation of thermal oxidation for obtaining stable C fractions, SOC losses increased with temperature from 24–48% (200°C) to 100% (500°C). In the Halle maize Ap horizon, losses of the young, maize-derived C were considerably higher than losses of the older C3-derived C, leading to an increase in the apparent C turnover time from 220 years in mineral-associated SOC to 1158 years after thermal oxidation at 300°C. Most likely, the preferential loss of maize-derived C in the Halle soil was caused by the presence of the high amounts of fossil C mentioned above, which make up a relatively large thermally stable C3-C pool in this soil. This agrees with lower overall SOC losses for the Halle Ap horizon compared to the Rotthalmünster Ap horizon. In the Rotthalmünster soil only slightly more maize-derived than C3-derived SOC was removed by thermal oxidation. Apparent C turnover times increased slightly from 58 years in mineral-associated SOC to 77 years after thermal oxidation at 300°C in the Rotthalmünster Ap and from 151 to 247 years in the Rotthalmünster E horizon. This led to the conclusion that thermal oxidation of SOM was not capable of isolating SOM fractions of considerably higher stability. The incubation experiment showed that macroaggregates develop rapidly after the addition of easily available plant residues. Within the first four weeks of incubation, the maximum aggregation was reached in all treatments without addition of fungicide. The formation of water-stable macroaggregates was related to the size of the microbial biomass pool and its activity. Furthermore, fungi were found to be crucial for the development of soil macroaggregates as the formation of water-stable macroaggregates was significantly delayed in the fungicide treated soils. The C concentration in the obtained aggregate fractions decreased with decreasing aggregate size class, which is in line with the aggregate hierarchy postulated by several authors for soils with SOM as the major binding agent. Macroaggregation involved incorporation of large amounts maize-derived organic matter, but macroaggregates did not play the most important role in the stabilization of maize-derived SOM, because of their relatively low amount (less than 10% of the soil mass). Furthermore, the maize-derived organic matter was quickly incorporated into all aggregate size classes. The microaggregate fraction stored the largest quantities of maize-derived C and N – up to 70% of the residual maize-C and -N were stored in this fraction.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Effects of phosphorus and water stress on shoot and root growth and on mycorrhization of different pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) varieties from West Africa

This research work aimed at investigating the physiological mechanisms of tolerance of pearl millet to low soil Phosphorus availability and drought under the Sahelian conditions.

Microbial response to restoration of tantalite mine soils in western Rwanda

Artisanal columbite-tantalite (coltan) mining has had negative effects on the rural economy in the great Lakes region of Africa through labor deficits, degradation and loss of farmland, food insecurity, high cost of living, and reduced traditional export crop production alongside secondary impacts that remotely affect the quality of air, water, soil, plants, animals, and human wellbeing. The situation is multifaceted and calls for a holistic approach for short and long-term mitigation of such negative effects. This study focuses on the effects of mine land restoration on soil microbiological quality in the Gatumba Mining District of western Rwanda. Some coltan mine wastelands were afforested with pine and eucalyptus trees while farmers directly cultivated others due to land scarcity. Farmyard manure (FYM) is the sole fertilizer applied on the wastelands although it is insufficient to achieve the desired crop yields. Despite this, several multi-purpose plants such as Tithonia diversifolia, Markhamia lutea, and Canavalia brasiliensis thrive in the area and could supplement FYM. The potential for these “new” amendments to improve soil microbial properties, particularly in the tantalite mine soils was investigated. The specific objectives of the study were to: (a) evaluate the effects of land use on soil microbial indices of the tantalite mine soils; (b) investigate the restorative effects of organic amendments on a Technosol; and (c) estimate the short-term N and P supply potential of the soil amendments in the soils. Fresh soils (0-20 cm) from an unmined native forest, two mine sites afforested with pine and eucalyptus forests (pine and eucalyptus Technosols), an arable land, and two cultivated Technosols (Kavumu and Kirengo Technosols) were analyzed for the physicochemical properties. Afterwards, a 28-day incubation (22oC) experiment was conducted followed by measurements of mineral N, soil microbial biomass C, N, P, and fungal ergosterol contents using standard methods. This was followed by a 12-week incubation study of the arable soil and the Kavumu Technosol amended with FYM, Canavalia and Tithonia biomass, and Markhamia leaf litter after which soil microbial properties were measured at 2, 8, and 12 weeks of incubation. Finally, two 4-week incubation experiments each were conducted in soils of the six sites to estimate (i) potential mineralizable N using a soil-sand mixture (1:1) amended with Canavalia and goat manure and (ii) P mineralization mixtures (1:1) of soil and anion exchange resins in bicarbonate form amended with Tithonia biomass and goat manure. In study one, afforestation increased soil organic carbon and total N contents in the pine and eucalyptus Technosols by 34-40% and 28-30%, respectively of that in the native forest soil. Consequently, the microbial biomass and activity followed a similar trend where the cultivated Technosols were inferior to the afforested ones. The microbial indices of the mine soils were constrained by soil acidity, dithionite-extractable Al, and low P availability. In study two, the amendments substantially increased C and N mineralization, microbial properties compared with non-amended soils. Canavalia biomass increased CO2 efflux by 340%, net N mineralization by 30-140%, and microbial biomass C and N by 240-600% and 240-380% (P < 0.01), respectively after four weeks of incubation compared with the non-amended soils. Tithonia biomass increased ergosterol content by roughly 240%. The Kavumu Technosol showed a high potential for quick restoration of its soil quality due to its major responses to the measured biological parameters. In study three, Canavalia biomass gave the highest mineralizable N (130 µg g-1 soil, P < 0.01) in the Kavumu Technosol and the lowest in the native forest soil (-20 µg g-1 soil). Conversely, the mineralizable N of goat manure was negative in all soils ranging from -2.5 µg N g-1 to -7.7 µg N g-1 soil except the native forest soil. However, the immobilization of goat manure N in the “cultivated soils” was 30-70% lower than in the “forest soils” signifying an imminent recovery of the amended soils from N immobilization. The mineralization of goat manure P was three-fold that of Tithonia, constituting 61-71% of total P applied. Phosphorus mineralization slightly decreased after four weeks of incubation due to sulfate competition as reflected in a negative correlation, which was steeper in the Tithonia treatment. In conclusion, each amendment used in this research played a unique role in C, N, and P mineralization and contributed substantially to microbial properties in the tantalite mine soils. Interestingly, the “N immobilizers” exhibited potentials for P release and soil organic carbon storage. Consequently, the combined use of the amendments in specific ratios, or co-composting prior to application is recommended to optimize nutrient release, microbial biomass dynamics and soil organic matter accrual. Transport of organic inputs seems more feasible for smallholder farmers who typically manage small field sizes. To reduce acidity in the soils, liming with wood ash was recommended to also improve P availability and enhance soil biological quality, even if it may only be possible on small areas. Further, afforestation with mixed-species of fast-growing eucalyptus and legume or indigenous tree species are suggested to restore tantalite mine wastelands. It is emphasized most of this research was conducted under controlled laboratory conditions, which exclude interaction with environmental variables. Also fine fractions of the amendments were used compared with the usual practice of applying a mixture of predominantly coarser fractions. Therefore, the biological dynamics reported in the studies here may not entirely reflect those of farmers’ field conditions.

Continued Fractions

Lecture notes

Uncertainty assessment of a process-based integrated catchment model of phosphorus

Despite the many models developed for phosphorus concentration prediction at differing spatial and temporal scales, there has been little effort to quantify uncertainty in their predictions. Model prediction uncertainty quantification is desirable, for informed decision-making in river-systems management. An uncertainty analysis of the process-based model, integrated catchment model of phosphorus (INCA-P), within the generalised likelihood uncertainty estimation (GLUE) framework is presented. The framework is applied to the Lugg catchment (1,077 km2), a River Wye tributary, on the England–Wales border. Daily discharge and monthly phosphorus (total reactive and total), for a limited number of reaches, are used to initially assess uncertainty and sensitivity of 44 model parameters, identified as being most important for discharge and phosphorus predictions. This study demonstrates that parameter homogeneity assumptions (spatial heterogeneity is treated as land use type fractional areas) can achieve higher model fits, than a previous expertly calibrated parameter set. The model is capable of reproducing the hydrology, but a threshold Nash-Sutcliffe co-efficient of determination (E or R 2) of 0.3 is not achieved when simulating observed total phosphorus (TP) data in the upland reaches or total reactive phosphorus (TRP) in any reach. Despite this, the model reproduces the general dynamics of TP and TRP, in point source dominated lower reaches. This paper discusses why this application of INCA-P fails to find any parameter sets, which simultaneously describe all observed data acceptably. The discussion focuses on uncertainty of readily available input data, and whether such process-based models should be used when there isn’t sufficient data to support the many parameters.

Decomposition and phosphorus release from organic residues as affected by residue quality and added inorganic phosphorus

The combined use of organic residue and inorganic fertiliser-phosphorus (P) is appropriate in meeting both the short and long-term P requirement of crops. To assess the influence of added inorganic fertiliser-P on the processes of decomposition and P release from the residue and the relationships with quality, prunings of Gliricidia sepium, Leucaena leucocephela, Senna siamea, Acacia mangium and Paraserienthus falcataria were incubated without and with added inorganic fertiliser-P for 56 days. Soil was added only as inoculum. Decomposition rate and amounts of acid extractable-P (P release) were in the same order: G. sepium > S. siamea > L. leucocepheta > P falcataria > A. mangium. Unlike the other residues, A. mangium released no P despite the loss of half its mass during the 8 weeks of incubation. The residue P content correlated with P release. However, decomposition rate did not correlate with residue P content but with the lignin, polyphenol and cellulose content, and ratios to P. These ratios were negatively correlated with P release suggesting that lignin and polyphenol contents influence P release more when the residue-P content is low. Results suggest that rate of decomposition influences the release of P. The critical residue P content for P release was estimated to be 0.12% < P < 0.19%. Added P had no effect on decomposition and P release from the residues.

Utilisation by upland rice of plant residue- and fertiliser-phosphorus in two tropical acid soils

A dual isotopic technique was used to assess the effects of soil type, and residues of Gliricidia sepium, without and with added fertiliser-P on the utilisation of P. Upland rice (Oryza sativa) was grown for 70 days in two tropical acid soils of different P sorbing capacity and P status. Uniformly P-32-labelled soils were treated with inorganic fertiliser-P tagged with P-33, Gliricidia sepium residue applied at planting and 3 weeks earlier, and in a combination of fertiliser-P and Gliricidia applied at and 3 weeks before planting. There were significant responses of shoot and root weights, and total P uptake to Gliricidia- and/or fertiliser-P addition in the Ultisol (low P status) but not the Oxisol (high P status), suggesting that P in the latter soil was not yield limiting, despite the high standard P requirement. Similarly, incorporation of Gliricidia three weeks before planting further increased shoot weight only in the Ultisol. There were generally higher proportions, quantities and percent utilisations of the Gliricidia- P and fertiliser-P in the Ultisol than in the Oxisol. Gliricidia significantly increased the utilisation of fertiliser-P only in the Ultisol. However, early application of Gliricidia increased Gliricidia- P but not fertiliser-P utilisation in the Ultisol. Added fertiliser-P did not influence Gliricidia- P utilisation.

A comparison of diatom phosphorus transfer functions and export coefficient models as tools for reconstructing lake nutrient histories

1. We compared the baseline phosphorus (P) concentrations inferred by diatom-P transfer functions and export coefficient models at 62 lakes in Great Britain to assess whether the techniques produce similar estimates of historical nutrient status. 2. There was a strong linear relationship between the two sets of values over the whole total P (TP) gradient (2-200 mu g TP L-1). However, a systematic bias was observed with the diatom model producing the higher values in 46 lakes (of which values differed by more than 10 mu g TP L-1 in 21). The export coefficient model gave the higher values in 10 lakes (of which the values differed by more than 10 mu g TP L-1 in only 4). 3. The difference between baseline and present-day TP concentrations was calculated to compare the extent of eutrophication inferred by the two sets of model output. There was generally poor agreement between the amounts of change estimated by the two approaches. The discrepancy in both the baseline values and the degree of change inferred by the models was greatest in the shallow and more productive sites. 4. Both approaches were applied to two lakes in the English Lake District where long-term P data exist, to assess how well the models track measured P concentrations since approximately 1850. There was good agreement between the pre-enrichment TP concentrations generated by the models. The diatom model paralleled the steeper rise in maximum soluble reactive P (SRP) more closely than the gradual increase in annual mean TP in both lakes. The export coefficient model produced a closer fit to observed annual mean TP concentrations for both sites, tracking the changes in total external nutrient loading. 5. A combined approach is recommended, with the diatom model employed to reflect the nature and timing of the in-lake response to changes in nutrient loading, and the export coefficient model used to establish the origins and extent of changes in the external load and to assess potential reduction in loading under different management scenarios. 6. However, caution must be exercised when applying these models to shallow lakes where the export coefficient model TP estimate will not include internal P loading from lake sediments and where the diatom TP inferences may over-estimate TP concentrations because of the high abundance of benthic taxa, many of which are poor indicators of trophic state.

Physico-chemical controls on phosphorus cycling in two lowland streams. Part 1 - the water column

This paper investigates phosphorus (P) transport and transformation dynamics in two contrasting sub-catchments of the River Kennel, England. Samples were collected daily under baseflow and hourly under stormflow conditions using autosamplers for 2 years and analysed for a range of determinands (full P fractionation, suspended sediment (SS), cations, pH, alkalinity, temperature and oxygen). Concentrations of SRP, SUP, PP and SS were higher in the flashy River Enborne (means of 0.186, 0.071, 0.101 and 34 mg l(-1), respectively) than the groundwater-fed River Lambourn (0.079, 0.057, 0.028 and 9 mg l(-1), respectively). A seasonal trend in the daily P dataset was evident, with lower concentrations during intermediate flows and the spring (caused by a dilution effect and macrophyte uptake) than during baseflow conditions. However, in the hourly P dataset, highest concentrations were observed during storm events in the autumn and winter (reflecting higher scour with increased capacity to entrain particles). Storm events were more significant in contributing to the total P load in the River Enborne than the River Lambourn, especially during August to October, when dry antecedent conditions were observed in the catchment. Re-suspension of P-rich sediment that accumulated within the channel during summer low flows might account for these observations. It is suggested that a P-calcite co-precipitation mechanism was operating during summer in the River Lambourn, while adsorption by metal oxyhydroxide groups was an important mechanism controlling P fractionation in the River Enborne. The influence of flow conditions and channel storage/release mechanisms on P dynamics in these two lowland rivers is assessed. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.