Soil water availability in agriculturally used wetlands of East Africa

Abstract

Wetlands contribute increasingly to the food needs and income generation of the rural population in East Africa. The transformation of wetlands into farmland has gained momentum due to a growing food demand, upland shortages and increasing climate variability. A wetland's agricultural production potential is largely determined by its soil fertility as well as the water availability in the rooting zone of crops. <br /> In this Dissertation, I assessed the spatial and temporal soil water availability, and related moisture status to hydrogeomorphological conditions and types of land use. Based on an initial classification of wetlands in the region, the present work focussed on two representative agriculturally used wetlands. Tegu is an inland valley wetland of about 10 ha in the humid tropical highlands (1720 m a.s.l.) south of Mount Kenya, Kenya. Malinda is a floodplain located in the plains of Mkomazi River in the sub-humid tropical lowlands (360 m a.s.l.) at the western leeward side of the Usambara Mountains, Tanzania. While both sites are mainly used for crop production, unused portions remain under natural wetland vegetation. <br /> Hydrometeorological state variables, comprising Frequency Domain Reflectometry (FDR)-based soil moisture contents, groundwater levels and stream discharge, were monitored between 2009 and 2011. Thereby, different landscape positions and land use types in the wetlands were covered. A site-specific calibration procedure for the FDR system yielded a higher measurement accuracy for the Tegu site than that achieved using the manufacturer's calibration function. <br /> Groundwater level and the duration of soil saturation were closely related to the landscape position along and across the Tegu inland valley, thus determining the suitability of specific locations within the wetland for crop cultivation. In the bowl-shaped valley head with no pronounced stream channel, the cultivation of forage grass (<i>Pennisetum purpureum</i>) prevailed. In the floodplain-like lower section with an extensive network of drainage/irrigation channels, taro (<i>Colocasia esculenta</i>) was widespread and generally cultivated in association or rotation with upland crops, mainly maize (<i>Zea mays</i>) and vegetables. The Tegu valley bottom is agriculturally used although soil moisture contents are often too high, which bears the risk of crop failure due to flooding. The application of a semi-distributed rainfall-runoff model yielded an overestimation of the stream discharge during the long dry season of the hydrological year 2010/2011, indicating the impact of water abstraction for irrigation. <br /> In the Malinda floodplain, soil moisture measurements were conducted for a) natural vegetation, b) dry season grazing land, c) rainfed and irrigated rice plots, and d) upland crop fields. The shrink-swell-behaviour of the Vertisols impeded the application of the FDR sensor, as well as the determination of hydraulic soil properties. The length of the growing period as derived from HYDRUS-1D daily soil water balances ranged from 115 days in the fringe areas to 243 days in areas with prevailing shallow groundwater tables. Thus, agricultural land use and crop production potential, as determined from the period of crop-specific soil water storage, depend largely on the dominant water source (groundwater, surface water). <br /> The outcomes of the Dissertation can guide appropriate land use planning for a sustainable wetland use reconciling the increasing demand for agricultural products with the need to respect environmental concerns and to preserve ecosystem services.

<strong>Verfügbarkeit von Bodenwasser in landwirtschaftlich genutzten Feuchtgebieten Ostafrikas </strong><br /> Feuchtgebiete leisten einen zunehmend wichtigen Beitrag zur Ernährungssicherung und der Erwirtschaftung von Einkommen für die ländliche Bevölkerung in Ostafrika. Die Umwandlung von Feuchtgebieten in Ackerland wird durch den wachsenden Bedarf an Nahrungsmitteln, die Verknappung an Flächen für den Trockenfeldbau und eine zunehmende Veränderlichkeit des Klimas beschleunigt. Neben der Bodenfruchtbarkeit bestimmt dabei die Wasserverfügbarkeit in der Wurzelzone von Ackerfrüchten das landwirtschaftliche Produktionspotential von Feuchtgebieten.<br /> In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit von Bodenwasser untersucht und in Beziehung zu hydrogeomorphologischen Bedingungen und Landnutzungstypen gesetzt. Die Arbeit wurde in zwei repräsentativen landwirtschaftlich genutzten Feuchtgebieten durchgeführt, deren Auswahl auf einer umfassenden Kategorisierung von Feuchtgebieten in der Region basierte. Tegu ist ein Inlandtal im tropisch-feuchten Hochland (1720 m NN) südlich des Mount Kenya in Kenia mit einer Fläche von etwa 10 ha. Die Malinda Überschwemmungsfläche befindet sich in den Ebenen des Mkomazi Flusses im tropischen sub-humiden Tiefland (360 m NN) an der westlichen, leewärtigen Seite der Usambara Berge in Tansania. Beide Standorte werden überwiegend ackerbaulich genutzt, wobei auch noch weitgehend ungestörte Restflächen mit natürlicher Feuchtgebietsvegetation existieren. <br /> Hydrometeorologische Zustandsgrößen, einschließlich FDR (Frequency Domain Reflectometry)-basierter Bodenwassergehalte, Grundwasserflurabstände und Durchfluss, wurden zwischen 2009 und 2011 gemessen. Dabei wurden verschiedene Reliefpositionen und Landnutzungstypen innerhalb der Feuchtgebiete unterschieden. Eine standortspezifische Kalibrierung des FDR-Sensors lieferte eine höhere Messgenauigkeit für das Inlandtal als die Kalibrierungsfunktion des Herstellers. Grundwasserflurabstand und die Dauer der Bodensättigung standen in Beziehung zu der Reliefposition im Längs- und Querprofil des Inlandtales und bestimmten damit die Standorteignung für ackerbauliche Nutzung. In dem kesselförmigen Talkopf ohne ausgeprägtes Flussbett herrschte der Anbau von Futtergras (<i>Pennisetum purpureum</i>) vor. Der untere Talabschnitt, der einer Überschwemmungsebene ähnelt, war durch ein ausgeprägtes Netz an Be- und Entwässerungskanälen gekennzeichnet und wurde vorwiegend für den Anbau von Taro (<i>Colocasia esculenta</i>), üblicherweise im Mischanbau oder in einer Fruchtfolge mit Trockenlandkulturen (<i>Zea mays</i>) sowie diversen Gemüsearten genutzt. Für diese Art der Landnutzung ist der Boden allerdings verbreitet zu feucht, was das Risiko von Überstau-bedingten Ernteausfällen mit sich bringt. Die Anwendung eines semi-distributiven Niederschlags-Abfluss Modells ergab eine Überschätzung des Abflusses während der langen Trockenzeit des hydrologischen Jahres 2010/2011, was auf den Einfluss der Entnahme von Bewässerungswasser zurückzuführen war.<br /> In der Malinda Überschwemmungsebene wurden Bodenfeuchtemessungen an Standorten mit a) natürlicher Vegetation, b) Beweidung während der Trockenzeit, c) Nassreis im Regen-abhängigen sowie im Bewässerungsanbau, und d) dem Anbau von Trockenlandkulturen durchgeführt. Das Schwellungs-Schrumpfungs-Verhalten der Vertisole erschwerte den Einsatz des FDR-Sensors ebenso wie die Ermittlung bodenhydraulischer Kenngrößen. Die Länge der Wachstumsperiode wurde basierend auf Ergebnissen der täglichen Bodenwasserhaushaltsbilanzierung in HYDRUS-1D bestimmt und lag zwischen 115 Tagen im Randbereich der Ebene und 243 Tagen in Gebieten mit geringen Grundwasserflurabständen. Das landwirtschaftliche Nutzungspotential, welches über die verfügbare Dauer Kulturabhängiger Bodenwasservorräte ermittelt wurde, hing in hohem Maße von der Art der Wasserquelle ab (Grund-/Oberflächenwasser). <br /> Die Ergebnisse der Dissertation können bei der Planung einer nachhaltigen Feuchtgebietsnutzung herangezogen werden, welche sowohl dem zunehmenden Bedarf an landwirtschaftlichen Produkten wie auch dem Naturschutz und dem Erhalt ökosystemarer Dienstleistungen Rechnung trägt.