Spatio-temporal dynamics of bush-fire nutrient losses and atmospheric depositional gains across the northern savanna region of Ghana

Abstract

This study estimates the nutrient balance between annual fire-induced nutrient transfers and bulk (wet plus dry) atmospheric nutrient deposition. In the subsistence-based and fertilizer-limited agriculture of northern Ghana the population depends on productivity of the native soils for crop production. Fifty three percent of this region is burned annually. This study quantifies the nutrient losses resulting from the annual fires as well as the nutrient acquisition through atmospheric deposition which may compensate for the losses. A quantification of the soil-atmosphere nutrient cycling would help policy-makers in setting incentives and disincentives to regulate the burning culture of the region.<br /> Gross seasonal and annual elemental-losses/gaseous-emissions were quantified in the field for each combusted vegetation type. Annual spatial/temporal wet and dry deposition samples were collected across 15 sites. Data were analysed by a variety of analytical techniques including descriptive statistics, time series analyses, pairwise t-testing, ANOVA, linear correlations, linear regression, remote sensing and GIS. The field measurements of elemental-losses/gaseous-emissions and nutrient-depositions combined with the temporal-geospatial dynamics of these processes were analysed by various statistical means and extrapolated to the entire region using 10-year (2001-2010) GIS/remote sensing data.<br /> The results show that combusted fuel load varies across different vegetation types by season of burn and by plant tissue, with highest combustion taking place in the herbaceous/grass tissues. Lower combustion of twigs suggests a safe storage of carbon (C) in the woody parts of plants. In the early-burn season (November) high tissue-nitrogen (N) concentration renders burns vulnerable to high N losses/emissions per unit burnt biomass. However, high tissue moisture impedes the early burns, resulting in patches of burned and unburned vegetation that reduce the occurrence of late burns and the total losses of plant-nutrients. The patches of unburned vegetation also enhances tree seedling establishment to ages when these are relatively resistant to fires. The magnitude of gaseous emissions and nutrient losses follows the monthly order December>November>January>February. Calcium (Ca) and Magnesium (Mg) are lost in particulate forms, phosphorus (P) and potassium (K) in both, particulate and non-particulate forms, whereas C and N are mostly lost in gaseous forms. <br /> Dry and wet nutrient deposition varied with latitude and month. The interaction of latitude and longitude on nutrient deposition suggests that fire-induced nutrient transfers are directed by atmospheric currents (northeast to southwest) at the time of burn. An estimated negative N balance is not a cause for concern, as most N losses could be replaced through biological N2-fixation. Positive balances for K, Ca, Mg and sodium (Na) indicate an external source for these nutrients besides the redistribution of nutrients originating from fires, possibly Saharan dust. A net negative balance for P (-18 to -1 Gg), however, should be of major concern across the region given the inherently low P-content of the soils and the inability to derive P from other sources. The negative P balance poses a serious challenge to future food production across the area. Phosphorus losses can however be reduced when burning is undertaken in the early dry-season.

<strong>Räumlich-zeitliche Dynamik von durch Buschfeuer verursachten Nährstoffverlusten und atmosphärischen Einträgen in der nördlichen Savannenregion Ghanas</strong><br /> Der Schwerpunkt dieser Studie ist die Ermittlung der Nährstoffbilanz zwischen dem jährlich durch Vegetationsbrände verursachten Gesamtnährstofftransfer und der Gesamtmasse (nasse und trockene) der atmosphärischen Nährstoffeinträge. In der subsistenzbasierten Landwirtschaft Nordghanas, die nur wenige Düngemittel zur Verfügung hat, ist die Bevölkerung von der Produktivität der Böden für den landwirtschaftlichen Anbau abhängig. 53% der Fläche Nordghanas verbrennt jährlich. Diese Studie quanitifiziert die durch die jährlichen Feuer verursachten Nährstoffverluste ebenso wie die Rückgewinnung von Nährstoffen durch atmosphärische Deposition, welche die Verluste kompensieren könnte. Eine Quantifizierung der zwischen Boden und Atmosphäre zirkulierenden Nährstoffe würde Entscheidungsträgern helfen, positive und negative Anreize zu schaffen, um die Verbrennungs-Kultur der Region zu regulieren.<br /> Die jahreszeitlichen und jährlichen Bruttoverluste und Emissionen von ausgewählten Elementen wurden im Feld für jeden verbrannten Vegetationstyp bestimmt. Proben von jährlichen räumlichen/zeitlichen nassen und trockenen Einträgen wurden an 15 Standorten genommen. Die Daten wurden durch mehrere Verfahren analysiert, d.h. beschreibende Statistik, Zeitreihenanalysen, paarweiser t-Test, ANOVA, lineare Korrelation, lineare Regression, Fernerkundung und GIS. Die Freilandmessungen der Nährstoffverluste/ der gasförmigen Emissionen und Nährstoffeinträge wurden in Zusammenhang mit den räumlich-zeitlichen Dynamiken dieser Prozesse anhand verschiedener statistischer Verfahren analysiert und mit Hilfe von GIS/Fernerkungungsdaten von 2001 bis 2010 auf die gesamte Region extrapoliert.<br /> Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge der verbrannten Biomasse in den verschiedenen Vegetationstypen abhängig von der Jahreszeit der Brände und vom Pflanzengewebe ist, wobei der höchste Verbrennungsgrad bei krautigem/Grasgewebe beobachtet wurde. Ein niedrigerer Verbrennungsgrad bei Zweigen deutet auf eine sichere Speicherung von Kohlenstoff (C) in den verholzten Teilen der Pflanzen hin. In der frühen Feuersaison (November) führt die hohe Gewebe-Stickstoff (N)-Konzentration zu einer Anfälligkeit der Brände für hohe N-Verluste/ Emissionen pro Einheit verbrannter Biomasse. Jedoch behindert hier die hohe Gewebefeuchtigkeit die Ausbreitung der frühen Brände. Dies führt zu Flächen von abwechselnd verbrannter sowie nichtverbrannter Vegetation, welches das Auftreten später Brände und die Brutto-Verluste von Pflanzenznährstoffen reduziert. Die unverbrannten Flächen fördern zudem die Entwicklung von Baumkeimlingen bis zu einem Alter, in dem die Bäume verhältnismäßig feuerresistent sind. Die Größe der verbrannten Vegetationsflächen, die Menge der gasförmigen Emissionen und die Nährstoffverluste sinken in der monatlichen Reihenfolge Dezember>November>Januar>Februar. Verluste von Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) sind partikelförmig, Phosphor (P) und Kalium (K) sowohl partikelförmig als auch gasförmig, während C- und N-Verluste überwiegend gasförmig sind. <br /> Breitengrad und Monat hatten die größte Auswirkung auf die nassen und trockenen Nährstoffeinträge. Die Interaktion zwischen Breitengrad und Längengrad auf den Nährstoffeintrag deutet darauf hin, dass die durch Feuer verursachten Nährstoffverfrachtungen von den atmosphärischen Strömungen (Nordost nach Südwest) zum Zeitpunkt der Brände beeinflusst werden. Eine negative N-Bilanz ist nicht besorgniserregend, da die meisten N-Verluste durch biologische N2-Fixierungsprozesse ausgeglichen werden können. Die positive Bilanz für K, Ca, Mg und Natrium (Na) deutet auf eine externe Quelle für diese Nährstoffe zusätzlich zu der Verteilung durch Brände hin, vermutlich Staub aus der Sahara. Die negative Nettobilanz für P (-18 bis -1 Gg) sollte jedoch Anlass zur Sorge sein, wenn man den von Natur aus geringen P-Gehalt der Böden berücksichtigt, sowie die Unmöglichkeit, P aus anderen Quellen zu gewinnen. Die negative P-Bilanz stellt eine ernst zu nehmende Herausforderung für die zukünftige Nahrungsmittelproduktion in der Region dar. Phosphor-Verluste können reduziert werden, wenn Brände in der frühen Trockenzeit vorgenommen werden.