Soil attribute changes along chronosequences of land use in the littoral wetlands of Lake Naivasha, Kenya

Abstract

Lake Naivasha is a freshwater lake in the East African Rift Valley, which was affected by a continuously declining water level between 1980 and 2011. The newly exposed littoral area has been gradually put under agricultural land use by pastoralists and small-scale farmers, forming chronosequences of land use with distance to the lake shore (space-for-time approach). Transects representing land use durations of 1 to 30 years (as well as reference sites) were established, comprising soils of alluvial and lacustrine sediment origin in the pasture land and of lacustrine origin in the cropland. We assessed changes in soil moisture, carbon and nutrient content between November 2010 and December 2011. An additional greenhouse experiment studied the responses of kikuyu grass (proxy for pasture vegetation) and maize (proxy for crops) in potted topsoil. With increasing distance from the lake shore and duration of land use, we observed a exponential decline (p < 0.05) in soil organic carbon, potassium permanganate oxidized and non-oxidized carbon as well as N contents under both pasture and cropland uses. Additionally, carbon in particulate organic matter decreased in all size fractions, revealing that both the labile sand-bound and the stable silt- and clay-bound carbon were affected by the time of use. In the case of soil organic carbon, the rate constants of decline were -0.021 under pasture (15 years time span) and -0.016 per year under crops (30 year time span). In the case of soil N, the rate constants were -0.019 and -0.012 per year for pastures and cropland, respectively. Thus, carbon and nitrogen losses were similar on both soil types and land management systems. The soil water content decreased significantly (p < 0.05) with the duration of land use. Consequently, the associated change in soil aeration status is probably the key driver of the observed soil fertility decline, with soil type and land management having little influence. On chronosequence positions ≥ 20 years the upper soil layers (0 – 60 cm) dried up temporarily, owing to a drop in groundwater depth and insufficient rainfall. In croplands, this water deficit in the topsoil could only be partially compensated by supplementary irrigation. Observed changes in the plant-available Olsen-P fraction were not related to the duration of land use. Only the ion exchange resin-adsorbed P fraction decreased significantly with land use duration under pasture use (lacustrine soils), and was mainly associated with soil organic carbon and amount of rainfall and irrigation. The dry matter accumulation in potted soil of both kikuyu grass and maize declined with the duration of land use. As soil moisture was kept constant, this reduction with time of land use was primarily related to changes in soil nitrogen content. The reduction in plant available water and soil nutrients with continuous agricultural production is likely to entail the observed declining production potential on both, pastures and cropland. The chronosequence model provides a suitable tool to study edaphic and hydrological change processes and their impact on production and land productivity.

<strong>Veränderungen von Bodenmerkmalen entlang Chronosequenzen der Landnutzung im litoralen Feuchtgebiet, Lake Naivasha, Kenia</strong><br /> Lake Naivasha ist ein Süßwassersee im ostafrikanischen Rift Valley, dessen Wasserspiegel von 1980 bis 2011 stetig sank. Die dabei freigelegte, litorale Landfläche wurde von Pastoralisten und Kleinbauern kontinuierlich in Nutzung genommen, wobei Chronosequenzen der Landnutzung mit zunehmender Distanz zum Seeufer entstanden sind (space-for-time). Für diese Studie wurden Transekte mit einer Landnutzungsdauer von 1 bis 30 Jahren sowie Referenzflächen (keine, beziehungsweise erstmalige Landnutzung) auf Weide- und Ackerland vergleichend untersucht. Während Weidenutzung sowohl auf Alluvialböden als auch auf Böden mit lakustrinem Unterboden durchgeführt wurde, war eine Nutzung für den Anbau von Ackerkulturen auf lakustrinen Böden begrenzt. Änderungen der Bodenfeuchte sowie des Kohlenstoff- und Nährstoffgehaltes des Oberbodens wurden entlang der Chronosequenz zwischen November 2010 und Dezember 2011 ermittelt. Zusätzlich wurde ein Topfversuch mit Kikuyu Gras (dominante Art auf den Weideflächen) und mit Mais (Proxy für Ackerlandkulturen) in gesiebtem Oberboden unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Der organische Kohlenstoff, der durch Kaliumpermanganat oxidierbare, und der nicht oxidierbare Kohlenstoff, sowie der Stickstoffgehalt nahmen exponentiell (p < 0.05) mit zunehmender Landnutzungsdauer ab. Auch der an Bodenpartikel gebundene Kohlenstoff, und damit die leicht wie auch die schwer mineralisierbaren organischen Bestandteile, gingen in allen Aggregatsgrößen-Klassen zurück. Die Geschwindigkeitskonstanten dieser Abnahme lagen beim organischen Kohlenstoff im Weideland bei -0.021 (15 jährige Zeitspanne) und im Ackerland bei -0.016 pro Jahr (30 jährige Zeitspanne). Im Fall des Bodenstickstoffs wurden Abnahmeraten von -0.019 auf Weideland und von -0.012 pro Jahr auf Ackerland ermittelt. Damit unterschieden sich die Verlustraten nicht oder nur gering zwischen den Bodentypen und Landnutzungsarten. Der Bodenwassergehalt verringerte sich signifikant (p < 0,05) mit der Landnutzungsdauer. Dies ist ein Indiz, dass vor allem die mit der Landnutzung einhergehende Bodendrainage für die Verluste verantwortlich ist, während Bodentyp und Landnutzungsart geringen Einfluss hatten. Die oberen Bodenschichten (0 – 60 cm) trockneten ab einer Landnutzungsdauer ≥ 20 Jahren zeitweise aus, was auf die Absenkung des Grundwasserspiegels wie auch auf das Ausbleiben der Niederschläge zurückzuführen war. Dieser Bodenwassermangel wurde auf dem Ackerland durch zusätzliche Bewässerung der Flächen nur teilweise kompensiert. Die beobachteten Unterschiede in pflanzenverfügbarem Phosphor (Olsen P) waren nicht mit der Landnutzungsdauer gekoppelt. Nur der an Austauscherharze adsorbierte Phosphoranteil (Weideland, lakustrine Böden) verringerte sich signifikant mit zunehmender Landnutzungsdauer, und korrelierte mit dem Gehalt an organischem Kohlenstoff, sowie den Niederschlags- beziehungsweise Bewässerungsmengen. Die beobachteten Trends konnten auch im Gefäßversuch bei konstantem Bodenwassergehalt bestätigt werden. So ging die Trockenmassebildung von Kikuyu Gras und Mais mit steigender Landnutzungsdauer signifikant zurück, was mit der Abnahme im Bodenstickstoffgehalt zusammenhing. Mit dem Rückgang von pflanzenverfügbarem Wasser und Nährstoffen bei fortschreitender landwirtschaftlicher Nutzung ist folglich ein Produktionsrückgang sowohl auf Weide- als auch auf Ackerland zu erwarten. Das Chronosequenz Modell erwies sich hierbei als geeigneter Ansatz, um edaphische und hydrologische Veränderungen und deren Einfluss auf die Pflanzenproduktion zu analysieren.