Improving the water productivity of integrated crop-livestock systems in the semi-arid tropics of Zimbabwe

Abstract

The semi-arid tropics of Zimbabwe are characterised by low levels of economic activity, high incidence of land degradation and a high concentration of the rural poor. Water scarcity is also a principle constraint, and available water is used ineffectively, as evidenced by low crop and livestock water productivity. Low crop productivity is partly attributed to inherent low soil fertility and impoverishment is further exacerbated by continuous cropping without addition of adequate organic and inorganic fertilizers due to unavailability and high costs, while feed shortages especially during the dry season, high incidence of diseases and mortality rates mainly cause low livestock productivity. In this study soil fertility and feed issues were addressed as they were perceived as some of the constraints with solutions that are within the farmers’ capabilities. <br /> On-farm surveys and field experiments were done in Nkayi district in northwest Zimbabwe to understand the current situation in crop-livestock systems. A simulation modeling approach was used to evaluate potential interventions, which can be used as entry points to improve crop and livestock water productivity. Crop and livestock production were the main livelihood activities. Average cultivated land was 3 ha while fallow land was 1 ha per household. Livestock holdings that include cattle, donkeys and goats were 9.5 TLU. Soil fertility in terms of N, P and OC was very low, average values were 0.04, 0.01 and 0.37%, respectively. Crop and livestock water productivity was also very low, average values were 0.04 kg m-3 and 0.02 US$ m-3, respectively. <br /> Interventions which use low cost and locally available organic inputs were evaluated using APSIM and feed deficits using the MLA model. The interventions were the FP, MN and MMR treatments. Their potential effects on crop water productivity, soil fertility and contribution to dry season feed were assessed. Average maize grain water productivity was 0.34 0.42 and 0.76 kg m-3 under the FP, MN and MMR treatments, respectively, while mucuna water productivity was 1.34 kg m-3. Cropping under the FP and MN treatments showed negative trends in SOC and TN over years with losses ranging from 17 to 74 kg ha-1 yr-1 and 6 to 16 kg ha-1 yr-1, respectively. In contrast the MMR treatment showed positive trends in both SOC and TN under the poor and average farmers while for the better-off it was maintained. SOC and TN were increased by about 2.6 to 194 kg ha-1 yr-1 and 6 to 14 kg ha-1 yr-1, respectively. <br /> Crude protein (CP) content in maize stover was 29, 32 and 82 g kg-1 under the FP, MN and MMR treatments, respectively. The potential contribution to daily feed requirements during the dry season, in-terms of DM, CP and ME of stover and mucuna biomass was also evaluated. Maize stover obtained from the FP and MN treatment could not supply 100% of the daily required DM, CP and ME. Stover and mucuna biomass from the MMR treatment could supply 100% of daily required DM, CP and ME for the poor and average farmers while it could supply about 50% of DM and 100% of CP and ME required for the better-off farmers. The MMR treatment has the potential to improve soil fertility, crop and livestock water productivity in the semi-arid smallholder farming systems of Zimbabwe.

Die semiariden Tropen Zimbabwes sind durch eine geringe Wirtschaftskraft, arme Landbevölkerung und fortgeschrittene Landdegradation gekennzeichnet. Wasserknappheit ist ein limitierender Faktor und gleichzeitig wird das vorhandene Wasser ineffizient genutzt. Dies führt zu einer niedrigen Produktivität sowohl im Pflanzenbau als auch in der Viehhaltung. Neben dem Wassermangel wird die niedrige Produktivität auch auf eine niedrige Bodenfruchtbarkeit zurückgeführt. Diese wird noch durch permanente Landnutzung (ohne oder mit verkürzten Brachephasen) mit mangelhafter Düngung, bedingt durch Düngermangel und hohe Beschaffungskosten verstärkt. Die niedrige Produktivität in der Viehhaltung ist eine Folge von Futterknappheit während der Trockenzeit sowie häufig auftretender Seuchen und hoher Mortalitätsraten. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit Fragen der Bodenfruchtbarkeit und der Viehfutterbereitstellung, da angenommen wird, dass dies Probleme sind, die durch die betroffenen Bauern selbst gelöst werden können.<br /> Im Nkayi-Distrikt im Nordwesten Zimbabwes wurden Untersuchungen auf ausgewählten Farmen sowie Feldversuche durchgeführt, um die aktuelle Situation der Anbau- und Viehhaltungssysteme zu erfassen. Potentielle Maßnahmen zur Steigerung der Produktivität durch verbesserte Wassernutzung im Anbau und in der Viehhaltung werden durch Modellsimulation (Agriculture Production Systems Simulator; APSIM) ermittelt. Unterschiede im Zugang zu wichtigen Ressourcen wie Arbeitskräfte, Land, landwirtschaftliche Geräte und Zugtiere bzw. -maschinen beeinflussen den Ertrag der Pflanzen- und Tierproduktion. Daher werden drei Wohlstandskategorien betrachtet: arme, durchschnittlich wohlhabende Farmer und wohlhabende Farmer.<br /> Ackerbau und Viehhaltung sind die wichtigsten Aktivitäten in allen drei Kategorien. Die durchschnittliche Größe einer Farm beträgt 4 ha, davon werden 3 ha für den Pflanzenbau genutzt und 1 ha als Brache. Der durchschnittliche Viehbestand (Rinder, Esel, Ziegen) beträgt 9.5 tropische Großvieheinheiten (TLU). Die Bodenqualität ist gekennzeichnet durch niedrige Stickstoff-, Phosphor- und organische Kohlenstoffwerte in Höhe von 0.04, 0.01 bzw. 0.37%. Die Wasserproduktivität im Pflanzenbau und in der Viehhaltung ist ebenfalls sehr niedrig mit durchschnittlichen Werten von 0.04 kg m-3 bzw. 0.02 US$ m-3. <br /> Maßnahmen mit geringen Kosten, die auch lokal verfügbare organische Dünger nutzen, werden mit APSIM modelliert. Zur Ermittlung des Futterbedarfs des Viehs wird der Meat and Livestock Australia (MLA)-Rechner eingesetzt. Die gewählten Maßnahmen sind: von den Farmern üblicherweise eingesetzte Maßnahmen (FP), organische Düngung (MN) und ein Fruchtwechsel von Mais und Mucuna (Mucuna pruriens) (MMR). Die potentiellen Auswirkungen dieser Maßnahmen auf die Wasserproduktivität im Pflanzenbau, auf die Bodenfruchtbarkeit und die Futterproduktion in der Trockenzeit werden geschätzt. Die durchschnittliche Wasserproduktivität bei Maiskörnerertrag beträgt 0.34, 0.42 bzw. 0.76 kg m-3 bei FP, MN bzw. MMR und bei Mucuna 1.34 kg m-3. FP bzw. MN zeigt einen negativen Trend hinsichtlich des organischen Kohlenstoffs im Boden (SOC) und des Gesamtstickstoffgehalts (TN) simuliert über 30 Jahre mit einer Abnahme von 17 bis 74 kg ha-1 Jahr-1 bzw. 6 bis 16 kg ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz hierzu zeigt MMR einen positiven Trend sowohl bei SOC und TN in den Wohlstandskategorien arm und durchschnittlich, während in der Kategorie wohlhabende Farmer sich die Werte nicht verändern. SOC und TN nehmen 2.6 bis 194 kg ha-1 Jahr-1 und 6 bis 14 kg ha-1 Jahr-1 zu. <br /> Der Roheiweiß-(CP)-Gehalt der Maiserntereste beträgt 29, 32 bzw. 82 g kg-1 bei FP, MN bzw. MMR. Der potentielle Beitrag zum täglichen Futterbedarf hinsichtlich Trockenmasse (DM), CP und metabolisierbare Energie (ME) der Biomasse der Maiserntereste und von Mucuna wird ebenfalls geschätzt. Die Maiserntereste können bei FP und MN nicht 100% des täglich benötigten DM, CP und ME liefern. Jedoch können Maiserntereste und Mucunabiomasse bei MMR diese Menge bei den Kategorien arme bzw. durchschnittlich wohlhabende Farmer liefern und ca. 50% DM und 100% CP und ME bei den wohlhabenden Farmern. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der Mais-Mucuna-Fruchtwechsel das Potential hat, die Bodenfruchtbarkeit und die Wasserproduktivität sowohl im Pflanzenbau als auch in der Viehhaltung kleinbäuerlicher Systeme in den semiariden Regionen Zimbabwes zu verbessern.