Impact Assessment of Land-Use Change and Agricultural Treatments on Greenhouse Gas Emissions from Wetlands of Uganda and Tanzania

Abstract

Wetlands play an important role in global climate regulation as they represent a great global carbon sink. Moreover, wetlands provide optimal conditions for food production and support the livelihoods of many people in Sub-Saharan Africa with food supply. The conversion of natural wetland areas to farmland seriously affects valuable ecosystem services, including global climate regulation, and can result in altered greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, a main challenge of sustainable wetland management is to find a reconciliation between food production and mitigation of GHG emissions. For the development of management recommendations, GHG emission data from wetlands in Sub-Saharan Africa are highly needed, because the numbers of GHG studies conducted in this region are low. This study aimed to reduce this knowledge gap and assessed GHG emissions from wetlands in East Africa with consideration of contrasting wetland types, different types of land use and different hydrological positions within the wetland. Moreover, different agricultural treatments were evaluated with respect to their effects on yield-based GHG emissions. Two field experiments were established in different wetland types in East Africa. The first test site was located in an inland valley wetland in Uganda, while the second one was located in a floodplain of the Kilombero river in Tanzania. CH₄, CO₂ and N₂O emission data were collected with static chambers for a total sampling period of two consecutive cropping and fallow periods. During data analysis, a lack of systematic quality assurance of GHG data from static chamber measurements became apparent. Thus, an eight-step data quality management system based on objective criteria was developed to ensure data reliability and improve data acceptance rates. The quality-checked results of this study confirmed that land-use change had a significant impact on GHG emissions, as the global warming potential (GWP) considerably increased after the conversion of natural wetlands to farmland. Moreover, this study showed that intensification of food production did not result in significantly higher yield-based GHG emissions. Intensive cropping treatments with fertilizer application showed equally high or even lower global warming potential indexes (GWPI) compared to non-fertilized treatments. In conclusion, intensive cropping management practices with high yield potentials represent a possible trade-off between food production and GHG emissions. However, to achieve GHG emission mitigation, a combination with natural wetland areas spared from agricultural production is essential.

<strong>Folgenabschätzung von Landnutzungsänderung und landwirtschaftlichen Anbaumethoden auf Treibhausgasemissionen aus Feuchtgebieten in Uganda und Tansania</strong><br /> Feuchtgebiete sind von entscheidender Bedeutung für die Regulierung des globalen Klimas, da sie eine maßgebliche, globale Kohlenstoffsenke darstellen. Außerdem bieten Feuchtgebiete optimale Bedingungen für den Anbau von Nahrungsmitteln und unterstützen somit die Lebensmittelversorgung vieler Menschen in Regionen Afrikas südlich der Sahara. Die Umwandlung von natürlichen Feuchtgebieten zu Ackerland beeinträchtigt jedoch viele wertvolle Ökosystemdienstleistungen, wie beispielsweise die Regulierung des globalen Klimas. Veränderte und erhöhte Treibhausgas-(THG)-Emissionen können die Folge sein. Eine der größten Herausforderungen hinsichtlich des nachhaltigen Managements von Feuchtgebieten besteht in der Schlichtung von Interessenkonflikten und einer Kompromissfindung zwischen Nahrungsmittelanbau und verminderten THG-Emissionen. Um nachhaltige Managementempfehlungen entwickeln zu können, werden dringend THG-Emissionsdaten von afrikanischen Feuchtgebieten benötigt. Die Zahl der derzeit existierenden Studien ist gering, wodurch die Datenlange große Lücken aufweist. Die vorliegende Studie verfolgte das Ziel, einen Beitrag zur Verringerung dieser Datenlücken zu leisten. Im Rahmen des Vorhabens wurden THG-Emissionsdaten von Feuchtgebieten in Ost-Afrika in Hinblick auf unterschiedliche Feuchtgebietstypen, Landnutzungsformen und Positionen im Feuchtgebiet erhoben. Zudem wurden verschiedene Anbaumethoden untersucht und hinsichtlich ihrer mindernden Wirkung auf THG-Emissionen gemäß ihres Ertrags beurteilt. Zwei Feldexperimente wurden in unterschiedlichen Feuchtgebietstypen Ost-Afrikas etabliert. Bei dem Ersten handelte es sich um ein Feuchtgebiet im Landesinneren von Uganda, das Zweite war ein Überflutungsgebiet am Kilombero-Fluss in Tansania. CH₄-, CO₂- und N₂O-Emissionsdaten wurden mit statischen Kammermessungen über einen Zeitraum von zwei aufeinanderfolgenden Anbau- und Brachperioden erhoben. Während der Datenanalyse wurde ein Mangel an systematischen Methoden zur Qualitätskontrolle von Emissionsdaten aus Kammermessungen deutlich. Aufgrund dessen wurde ein achtstufiges Daten-Qualitäts-Management-System entwickelt, welches auf objektiven Kriterien basiert und die Datenzuverlässigkeit, ebenso wie die Datenakzeptanzrate verbessert. Die qualitätsgeprüften Ergebnisse dieser Studie bestätigten, dass Landnutzungsänderungen einen signifikanten Einfluss auf THG-Emissionen haben. Die ermittelten Emissionswerte zeigten eine deutliche Erhöhung des Treibhausgaspotentials nach der Umwandlung von natürlichen Feuchtgebieten zu Ackerland. Außerdem ergab diese Studie, dass intensive Anbaumethoden mit hohem Ertragspotential nicht zu signifikant erhöhten ertrags-basierten TGH-Emissionen führten. Die berechneten Treibhausgaspotential-Indizes intensiver Anbaumethoden mit Düngereinsatz zeigten gleich hohe oder sogar geringere Werte verglichen mit ungedüngten Anbaumethoden. Intensive Anbaumethoden mit hohen Erträgen stellen somit einen möglichen Kompromiss zwischen Nahrungsmittelanbau und THG-Emissionen dar. Für eine Minderung der THG-Emissionen ist es allerdings zwingend notwendig, natürliche Feuchtgebietsflächen anderorts zu schonen und in ihrem natürlichen Zustand zu belassen.