Root-induced increases in soil pH and nutrient availability to field-grown cereals and legumes on acid sandy soils of Sudano-Sahelian West Africa

A field experiment with millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata L.) and groundnut (Arachnis hypogeae L.) was conducted on severely P-deficient acid sandy soils of Niger, Mali and Burkina Faso to measure changes in pH and nutrient availability as affected by distance from the root surface and by mineral fertiliser application. Treatments included three rates of phosphorus (P) and four levels of nitrogen (N) application. Bulk, rhizosphere and rhizoplane soils were sampled at 35, 45 and 75 DAS in 1997 and at 55 and 65 DAS in 1998. Regardless of the cropping system and level of mineral fertiliser applied, soil pH consistently increased between 0.7 and two units from the bulk soil to the rhizoplane of millet. Similar pH gradients were observed in cowpea, but pH changes were much smaller in sorghum with a difference of only 0.3 units. Shifts in pH led to large increases in nutrient availability close to the roots. Compared with the bulk soil, available P in the rhizoplane was between 190 and 270% higher for P-Bray and between 360 and 600% higher for P-water. Exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) levels were also higher in the millet rhizoplane than in the bulk soil, whereas exchangeable aluminium (Al) levels decreased with increasing pH close to the root surface. The results suggest an important role of root-induced pH increases for crops to cope with acidity-induced nutrient deficiency and Al stress of soils in the Sudano-Sahelian zone of West Africa.

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.

Biochar improves fertility of a clay soil in the Brazilian Savannah: short term effects and impact on rice yield

The objective of this study was to report single season effects of wood biochar (char) application coupled with N fertilization on soil chemical properties, aerobic rice growth and grain yield in a clayey Rhodic Ferralsol in the Brazilian Savannah. Char application effected an increase in soil pH, K, Ca, Mg, CEC, Mn and nitrate while decreasing Al content and potential acidity of soils. No distinct effect of char application on grain yield of aerobic rice was observed. We believe that soil properties impacted by char application were inconsequential for rice yields because neither water, low pH, nor the availability of K or P were limiting factors for rice production. Rate of char above 16 Mg ha^(−1) reduced leaf area index and total shoot dry matter by 72 days after sowing. The number of panicles infected by rice blast decreased with increasing char rate. Increased dry matter beyond the remobilization capacity of the crop, and high number of panicles infected by rice blast were the likely cause of the lower grain yield observed when more than 60 kg N ha^(−1) was applied. The optimal rate of N was 46 kg ha^(−1) and resulted in a rice grain yield above 3 Mg ha^(−1).

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.

Cropping systems, carbon sequestration and erosion in Brazil, a review

Soils represent a large carbon pool, approximately 1500 Gt, which is equivalent to almost three times the quantity stored in terrestrial biomass and twice the amount stored in the atmosphere. Any modification of land use or land management can induce variations in soil carbon stocks, even in agricultural systems that are perceived to be in a steady state. Tillage practices often induce soil aerobic conditions that are favourable to microbial activity and may lead to a degradation of soil structure. As a result, mineralisation of soil organic matter increases in the long term. The adoption of no-tillage systems and the maintenance of a permanent vegetation cover using Direct seeding Mulch-based Cropping system or DMC, may increase carbon levels in the topsoil. In Brazil, no-tillage practices (mainly DMC), were introduced approximately 30 years ago in the south in the Parana state, primarily as a means of reducing erosion. Subsequently, research has begun to study the management of the crop waste products and their effects on soil fertility, either in terms of phosphorus management, as a means of controlling soil acidity, or determining how manures can be applied in a more localised manner. The spread of no-till in Brazil has involved a large amount of extension work. The area under no-tillage is still increasing in the centre and north of the country and currently occupies ca. 20 million hectares, covering a diversity of environmental conditions, cropping systems and management practices. Most studies of Brazilian soils give rates of carbon storage in the top 40 cm of the soil of 0.4 to 1.7 t C ha(-1) per year, with the highest rates in the Cerrado region. However, caution must be taken when analysing DMC systems in terms of carbon sequestration. Comparisons should include changes in trace gas fluxes and should not be limited to a consideration of carbon storage in the soil alone if the full implications for global warming are to be assessed.

Effect of pH on the development of acidic sites in clayey and sandy loam Oxisol from the Cerrado Region, Brazil

Titration curves were determined for soil from horizon samples of a clayey and a sandy loam Oxisol by (a) adding NaOH to soil suspensions and (b) incubating moist soils with Ca(OH)(2). The organic fraction was primarily responsible for buffering in both soils. Humic acids were more important than fulvic acids in buffering against NaOH additions. With Ca(OH)(2), greater buffer capacities were found due to carboxyl sites, primarily on fulvic acids, becoming complexed with Ca2+ so that in the clay soil humic and fulvic acids were equally important as buffering components while fulvic acids were more important in the sandy loam soil. The buffer capacity of organic matter against Ca(OH)(2) additions was 1.1 mol(c) kg(-1) pH(-1). In the incubated soils, exchangeable cations were also determined and changes in the amounts of exchangeable and non-exchangeable Ca2+ acidity and effective cation exchange capacity were calculated. Up to half the added Ca2+ became complexed and was nonexchangeable. Aluminum complexed by organic matter appears to be an important buffering component, together with non exchangeable H+. With the increase of pH the dissociated sites from the carboxyl groups could complex Ca2+. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of mycorrhizae and pH change at the root-soil interface on phosphorus uptake by Sorghum using a rhizocylinder technique

Sorghum (Sorghum bicolor) was grown for 40 days in. rhizocylinder (a growth container which permitted access to rh zosphere and nonrhizosphere soil), in two soils of low P status. Soils were fertilized with different rates of ammonium and nitrate and supplemented with 40 mg phosphorus (P) kg(-1) and inoculated with either Glomus mosseae (Nicol. and Gerd.) or nonmycorrhizal root inoculum.. N-serve (2 mg kg(-1)) was added to prevent nitrification. At harvest, soil from around the roots was collected at distances of 0-5, 5-10, and 10-20 mm from the root core which was 35 mm diameter. Sorghum plants, with and without mycorrhiza, grew larger with NH4+ than with NO3- application. After measuring soil pH, 4 3 suspensions of the same sample were titrated against 0.01 M HCl or 0.01 M NaOH until soil pH reached the nonplanted pH level. The acid or base requirement for each sample was calculated as mmol H+ or OFF kg(-1) soil. The magnitude of liberated acid or base depended on the form and rate of nitrogen and soil type. When the plant root was either uninfected or infected with mycorrhiza., soil pH changes extended up to 5 mm from the root core surface. In both soils, ammonium as an N source resulted in lower soil pH than nitrate. Mycorrhizal (VAM) inoculation did not enhance this difference. In mycorrhizal inoculated soil, P depletion extended tip to 20 mm from the root surface. In non-VAM inoculated soil P depletion extended up to 10 mm from the root surface and remained unchanged at greater distances. In the mycorrhizal inoculated soils, the contribution of the 0-5 mm soil zone to P uptake was greater than the core soil, which reflects the hyphal contribution to P supply. Nitrogen (N) applications that caused acidification increased P uptake because of increased demand; there is no direct evidence that the increased uptake was due to acidity increasing the solubility of P although this may have been a minor effect.

Acid-base reactions between an acidic soil and plant residues

The elemental composition of residues of maize (Zea mays), sorghum (S. bicolor), groundnuts (Arachis hypogea), soya beans (Glycine max), leucaena (L. leucocephala), gliricidia (G. sepium), and sesbania (S. sesban) was determined as a basis for examining their alkalinity when incorporated into an acidic Zambian Ferralsol. Potential (ash) alkalinity, available alkalinity by titration to pH 4 and soluble alkalinity (16 It water extract titrated to pH 4) were measured. Potential alkalinity ranged from 3 73 (maize) to 1336 (groundnuts) mmol kg(-1) and was equivalent to the excess of their cation charge over inorganic anion charge. Available alkalinity was about half the potential alkalinity. Cations associated with organic anions are the source of alkalinity. About two thirds of the available alkalinity is soluble. Residue buffer curves were determined by titration with H2SO4 to pH 4. Soil buffer capacity measured by addition of NaOH was 12.9 mmol kg(-1) pH(-1). Soil and residue (10 g:0.25 g) were shaken in solution for 24 h and suspension pH values measured. Soil pH increased from 4.3 to between 4.6 (maize) and 5.2 (soyabean) and the amounts of acidity neutralized (calculated from the rise in pH and the soil buffer capacity) were between 3.9 and 11.5 mmol kg(-1), respectively. The apparent base contributions by the residues (calculated from the buffer curves and the fall in pH) ranged between 105 and 350 mmol kg(-1) of residue, equivalent to 2.6 and 8.8 mmol kg(-1) of soil, respectively. Therefore, in contact with soil acidity, more alkalinity becomes available than when in contact with H2SO4 solution. Available alkalinity (to pH 4) would be more than adequate to supply that which reacts with soil but soluble alkalinity would not. It was concluded that soil Al is able to displace cations associated with organic anions in the residues which are not displaced by H+, or that residue decomposition may have begun in the soil suspension releasing some of the non-available alkalinity. Soil and four of the residues were incubated for 100 days and changes in pH, NH4+ and NO3- concentrations measured. An acidity budget equated neutralized soil acidity with residue alkalinity and base or acid produced by N transformations. Most of the potential alkalinity of soyabean and leucaena had reacted after 14 days, but this only occurred after 100 days for gliricidia, and for maize only the available alkalinity reacted. For gliricidia and leucaena, residue alkalinity was primarily used to react with acidity produced by nitrification. Thus, the ability of residues to ameliorate acidity depends not only on their available and potential alkalinity but also on their potential to release mineral N. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estimating uncertainty in terrestrial critical loads and their exceedances at four sites in the UK

Critical loads are the basis for policies controlling emissions of acidic substances in Europe and elsewhere. They are assessed by several elaborate and ingenious models, each of which requires many parameters, and have to be applied on a spatially-distributed basis. Often the values of the input parameters are poorly known, calling into question the validity of the calculated critical loads. This paper attempts to quantify the uncertainty in the critical loads due to this "parameter uncertainty", using examples from the UK. Models used for calculating critical loads for deposition of acidity and nitrogen in forest and heathland ecosystems were tested at four contrasting sites. Uncertainty was assessed by Monte Carlo methods. Each input parameter or variable was assigned a value, range and distribution in an objective a fashion as possible. Each model was run 5000 times at each site using parameters sampled from these input distributions. Output distributions of various critical load parameters were calculated. The results were surprising. Confidence limits of the calculated critical loads were typically considerably narrower than those of most of the input parameters. This may be due to a "compensation of errors" mechanism. The range of possible critical load values at a given site is however rather wide, and the tails of the distributions are typically long. The deposition reductions required for a high level of confidence that the critical load is not exceeded are thus likely to be large. The implication for pollutant regulation is that requiring a high probability of non-exceedance is likely to carry high costs. The relative contribution of the input variables to critical load uncertainty varied from site to site: any input variable could be important, and thus it was not possible to identify variables as likely targets for research into narrowing uncertainties. Sites where a number of good measurements of input parameters were available had lower uncertainties, so use of in situ measurement could be a valuable way of reducing critical load uncertainty at particularly valuable or disputed sites. From a restricted number of samples, uncertainties in heathland critical loads appear comparable to those of coniferous forest, and nutrient nitrogen critical loads to those of acidity. It was important to include correlations between input variables in the Monte Carlo analysis, but choice of statistical distribution type was of lesser importance. Overall, the analysis provided objective support for the continued use of critical loads in policy development. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Distribution of nutrients in the root zone affects yield, quality and blossom end rot of tomato fruits

Tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill. 'DRK') were grown hydroponically in two experiments to determine the effects of nutrient concentration and distribution in the root zone on yield, quality and blossom end rot (BER). The plants were grown in rockwool with their root systems divided into two portions. Each portion was irrigated with nutrient solutions with either the same or different electrical conductivity (EC) in the range 0 to 6 dS m(-1). In both experiments, fruit yields decreased as EC increased from moderate to high when solutions of equal concentration were applied to both portions of the root system. However, higher yields were obtained when a solution with high EC was applied to one portion of the root system and a solution of low EC to the other portion. For example, the fresh weight of mature fruits in the 6/6 treatment was only 20% that of the 3/3 treatment but the 6/0 treatment had a yield that was 40% higher. The reduction in yield in the high EC treatments was due to an increase in the number of fruits with BER and smaller fruit size. BER increased from 12% to 88% of total fruits as EC increased from 6/0 to 6/6 and fruit length decreased from 67 mm to 52 mm. Fruit quality (expressed as titratable acidity and soluble solids) increased as EC increased. In summary, high yields of high quality tomatoes with minimal incidence of BER were obtained when one portion of the root system was supplied with a solution of high EC and the other portion with a solution of moderate or zero EC.

Distribution of salinity in the root zone affects the yield, quality of tomato fruit

Tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill. var. DRK) were grown with a split root system to determine the effect of an unequal distribution of salinity in the root zone on yield and quality. The roots of the plant were divided into two portions and each portion was irrigated with nutrient solutions differing in EC levels achieved by adding Na or K. The maximum yield was observed in treatments with unequal EC when one portion of the roots received only water and the lowest in the high EC treatments. The reduced yield in the high EC treatment was due to the incidence of blossom-end rot and reduced fruit size. Fruit size in the treatments receiving solutions of unequal EC was up to 12% greater than that in the control. No significant differences were found in soluble solids and acidity between control and all other unequal EC treatments. Ca concentration was significantly higher in the treatments where one portion of the root system received water. It was concluded that high salinity had positive effects on yield and quality provided that one portion of the root system were placed in low EC or only water.

Short-term effects of manipulated increase in acid deposition on soil, soil solution chemistry and fine roots in Scots pine (Pinus sylvestris) stand on a podzol

A manipulated increase in acid deposition (15 kg S ha(-1)), carried out for three months in a mature Scots pine (Pinus sylvestris) stand on a podzol, acidified the soil and raised dissolved Al at concentrations above the critical level of 5 mg l(-1) previously determined in a controlled experiment with Scots pine seedlings. The induced soil acidification reduced tree fine root density and biomass significantly in the top 15 cm of soil in the field. The results suggested that the reduction in fine root growth was a response not simply to high Al in solution but to the depletion of exchangeable Ca and Mg in the organic layer, K deficiency, the increase in NH4:NO3 ratio in solution and the high proton input to the soil by the acid manipulation. The results from this study could not justify the hypothesis of Al-induced root damage under field conditions, at least not in the short term. However, the study suggests that a short exposure to soil acidity may affect the fine root growth of mature Scots pine.

Dissolution of phosphorus from animal bone char in 12 soils

Heat-treated animal bone char (ABC) has not previously been evaluated for its potential as a phosphorus (P) fertilizer. ABC, Gafsa phosphate rock (GPR) and triple superphosphate fertilizer (TSP) were incubated in 12 soils. Dissolved-P was assessed by extraction with NaOH and bioavailability with the Olsen extractant. The rate of P dissolution from ABC was described almost equally well by the Elovich and Power equations. After 145 days, the fraction of P dissolved ranged from 0 to 73% and to 56% for ABC and GPR, respectively. The most important soil properties determining P dissolution from ABC were pH and P sorption. P dissolution was not significant at soil pH > 6.1 (ABC) and > 5 (GPR) and the lower the pH, the greater the Dissolved-P. Dissolved-P also correlated positively and significantly with inorganic P sorption, measured by the Freundlich isotherm and the P sorption index of Bache and Williams (1971). Soil pH and P sorption index could be combined in multiple regression equations that use readily measured soil properties to predict the potential for ABC dissolution in a soil. Dissolution of P from GPR correlated with soil pH and exchangeable acidity. In comparison with GPR, ABC was a better source of available P, assessed by Olsen-P. In most soils, ABC increased Olsen-P immediately after application, including soils of relatively high pH in which GPR was ineffective. ABC is a P fertilizer of solubility intermediate between GPR and TSP.

Distribution of nutrients in the root zone affects yield, quality and blossom end rot of tomato fruits

Tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill. 'DRK') were grown hydroponically in two experiments to determine the effects of nutrient concentration and distribution in the root zone on yield, quality and blossom end rot (BER). The plants were grown in rockwool with their root systems divided into two portions. Each portion was irrigated with nutrient solutions with either the same or different electrical conductivity (EC) in the range 0 to 6 dS m(-1). In both experiments, fruit yields decreased as EC increased from moderate to high when solutions of equal concentration were applied to both portions of the root system. However, higher yields were obtained when a solution with high EC was applied to one portion of the root system and a solution of low EC to the other portion. For example, the fresh weight of mature fruits in the 6/6 treatment was only 20% that of the 3/3 treatment but the 6/0 treatment had a yield that was 40% higher. The reduction in yield in the high EC treatments was due to an increase in the number of fruits with BER and smaller fruit size. BER increased from 12% to 88% of total fruits as EC increased from 6/0 to 6/6 and fruit length decreased from 67 mm to 52 mm. Fruit quality (expressed as titratable acidity and soluble solids) increased as EC increased. In summary, high yields of high quality tomatoes with minimal incidence of BER were obtained when one portion of the root system was supplied with a solution of high EC and the other portion with a solution of moderate or zero EC.

Structural and equilibrium studies on mixed ligand complexes of Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) with N-(2-benzimidazolyl)methyliminodiacetic acid and typical N,N donor ligands

Mixed ligand complexes: [Co(L)(bipy)] (.) 3H(2)O (1), [Ni(L)(phen)] (.) H2O (2), [Cu(L)(phen)] (.) 3H(2)O (3) and [Zn(L)(bipy)] (.) 3H(2)O (4), where L2- = two -COOH deprotonated dianion of N-(2-benzimidazolyl)methyliminodiacetic acid (H(2)bzimida, hereafter, H,L), bipy = 2,2' bipyridine and phen = 1,10-phenanthroline have been isolated and characterized by elemental analysis, spectral and magnetic measurements and thermal studies. Single crystal X-ray diffraction studies show octahedral geometry for 1, 2 and 4 and square pyramidal geometry for 3. Equilibrium studies in aqueous solution (ionic strength I = 10(-1) mol dm(-3) (NaNO3), at 25 +/- 1 degrees C) using different molar proportions of M(II):H2L:B, where M = Co, Ni, Cu and Zn and B = phen, bipy and en (ethylene diamine), however, provides evidence of formation of mononuclear and binuclear binary and mixed ligand complexes: M(L), M(H-1L)(-), M(B)(2+), M(L)(B), M(H-1L)(B)(-), M-2(H-1L)(OH), (B)M(H-1L)M(B)(+), where H-1L3- represents two -COOH and the benzimidazole NI-H deprotonated quadridentate (O-, N, O-, N), or, quinquedentate (O-, N, O-, N, N-) function of the coordinated ligand H,L. Binuclear mixed ligand complex formation equilibria: M(L)(B) + M(B)(2+) = (B)M(H-1L)M(B)(+) + H+ is favoured with higher pi-acidity of the B ligands. For Co(II), Ni(II) and Cu(II), these equilibria are accompanied by blue shift of the electronic absorption maxima of M(II) ions, as a negatively charged bridging benzimidazolate moiety provides stronger ligand field than a neutral one. Solution stability of the mixed ligand complexes are in the expected order: Co(II) < Ni(II) < Cu(II) > Zn(II). The Delta logK(M) values are less negetive than their statistical values, indicating favoured formation of the mixed ligand complexes over the binary ones. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.