Spatially explicit modeling of sorghum (<i>Sorghum bicolor </i>(L.) Moench) production on complex terrain of a semi-arid region in Ghana using APSIM

Abstract

An increasing human population and decreasing fallow periods have resulted in a rapid decline in soil productivity in the semi-arid region of Ghana, which is characterized by low-input subsistence agriculture. Soils are inherently poor and contain little to support crop production. Attempts by smallholders to increase production have resulted in the concentration of nutrients in the homestead fields through the use of animal manure and crop residues from the distant bush farms. This has contributed to spatial variability in soil nutrients and soil organic carbon (SOC).<br /> The study area was classified into land-use trajectories based on a rural rapid appraisal technique with the aid of the farmers in the community and by remote sensing quick-bird imagery. The influence of land-use trajectories on soil nutrient stocks was evaluated. Spatial distribution of soils and soil properties and the factors influencing their distribution were assessed in a landscape of 1.5 km² selected within the study area. Data on soil chemical and physical properties collected were analyzed with geostatistical techniques for their spatial dependency. The Agricultural Production Systems sIMulator (APSIM), a crop simulation model, was calibrated for sorghum (<i>Sorghum bicolor</i> (L.) Moench) and evaluated for yield response to inorganic nitrogen (N) and phosphorous (P) fertilizer treatments in two farm types (homestead fields and bush farms).<br /> Land-use trajectories are revealed to have influenced the nutrient stock of the soils in the study area. Furthermore, the impact of farmers’ management activities on nutrient stocks was significant. Though a non-parametric test revealed distinct soil types, considerable variability could be observed within individual soils based on their chemical and physical properties. The distribution of soil parameters in the selected landscape was influenced by the soils, farmers’ management practices and topography. APSIM predicted the grain yield response of sorghum to both N and P application with an overall modified internal coefficient of efficiency of 0.64. A gradual decline in grain yield was observed over the 29-year simulation period in both the homestead fields and the bush farms, with yields being much lower in the latter. If crop residues were returned to the fields, half the mineral N fertilizer was needed in the homestead fields to produce the average grain yields produced on the bush farm with full fertilization. Temporal variability in grain yield was consistently higher with the removal of crop residues, irrespective of farm type. APSIM is responsive to both organic and inorganic fertilizer applications in the study area and also highlights the essential role of crop residues and inorganic fertilizer in influencing the temporal variability in sorghum grain production and hence the impact of farmers’ management practices on food security. This is evident in the rapid decline in soil organic carbon accompanied by a decline in grain yield after 29 years of cropping. The use of inorganic fertilizer and incorporation of crop residues (organic matter) are critical for attaining food security in the study area.

<strong>Räumliche Modellierung von Sorghum- (<i>Sorghum bicolor</i> (L.) Moench) Produktion in einem komplexen Gelände in einer semi-ariden Region in Ghana mit APSIM</strong><br /> Im semiariden Teil Ghanas haben Bevölkerungswachstum und verkürzte Brachezeiten zu einer Verringerung der Bodenfruchtbarkeit geführt. Bei geringen Inputs herrscht Subsistenzlandwirtschaft vor. Böden sind von Natur aus arm und unterstützen Pflanzenbau nur wenig. Versuche von Kleinbauern, die landwirtschaftliche Produktion zu verbessern, haben zu einer Konzentration von Pflanzennährstoffen in den hausnahen Feldern geführt, in dem dort Dung und Ernterückstände von weiter entfernt liegenden, hausfernen Feldern ("bush fields") konzentriert wurden. Damit erhöhte sich auch die räumliche Variabilität von Pflanzennährstoffen und bodenorganischer Substanz.<br /> Landnutzungsverläufe wurden mit Hilfe von Befragungen der Bauern (rural rapid appraisal) sowie mittels Satellitenbildauswertung klassifiziert. Der Einfluss von Landnutzung auf den Bodennährstoffvorrat wurde anschließend ermittelt. Die räumliche Verbreitung der Böden und Bodeneigenschaften und die beeinflussenden Faktoren wurden in einem Landschaftsausschnitt von 1.5 km² bestimmt. Die räumlichen Abhängigkeiten der bodenphysikalischen und -chemischen Parameter wurden geostatistisch berechnet. Das Pflanzenwachstumsmodell APSIM (= Agricultural Production Systems sIMulator) wurde für Sorghum (<i>Sorghum bicolor</i> (L.) Moench) angewendet. Anschließend wurde das angepasste Modell mit unabhängigen Daten von Versuchen in zwei Kleinbauernmanagementsystemen (hausnahen und -fernen Feldern) zum Wachstum von Sorghum in Abhängigkeit von gesteigerter Düngergabe (N und P) validiert.<br /> Es zeigte sich, dass Landnutzung einen signifikanten Einfluss auf die Pflanzennährstoffvorräte der Böden in der Untersuchungsregion hatte. Die Bodenparameter waren räumlich ausgesprochen variabel. Obwohl nicht-parametrische Tests mehrere Bodentypen aufzeigen konnten, so fand sich im Hinblick auf physikalische und chemische Eigenschaften doch eine beachtliche Variabilität innerhalb der einzelnen Bodentypen. Diese Bodeneigenschaften wurden durch die ursprünglichen Böden, das Kleinbauernmanagement und durch die Topographie beeinflusst. Die Simulation des Einflusses von N und P Düngung auf den Ertrag von Sorghum mit Hilfe von APSIM erzielte insgesamt einen Effizienzkoeffizienten von 0.64. Im Laufe der Simulationsperiode von 29 Jahren nahmen die Erträge sowohl in den hausnahen als auch auf den hausfernen Flächen leicht ab. Wurde auf den hausnahen Flächen nur die Hälfte an Stickstoff gedüngt und zusätzlich Ernterückstände auf der Fläche belassen und in den Boden eingearbeitet, so glichen die Erträge ungefähr denen auf den hausfernen Flächen. Die zeitliche Variabilität der Ernteerträge war auf hausnahen und -fernen Flächen übereinstimmend höher, wenn Erntereste nicht auf dem Feld verblieben. APSIM gab den Einfluss von sowohl organische als auch anorganische Düngung wieder und unterstrich damit die Wichtigkeit dieser beiden Maßnahmen im Rahmen des gängigen Managements von Kleinbauern in der Region. Dies wird durch den starken Rückgang des bodenorganischen Kohlenstoffs sowie des Körnerertrages nach 29 Anbaujahren deutlich. Das Ausbringen von Mineraldünger als auch das Belassen von Ernteresten auf dem Feld sind unabdingbare Maßnahmen im Hinblick auf die nachhaltige Ernährungssicherung im semiariden Ghana.