Assessing and targeting management options for smallholder rice-based systems in Kilombero floodplain, Tanzania

Abstract

In sub-Saharan Africa, agriculture contributes up to 50% of the GDP. The increase in agricultural output in the region is predominantly from area expansion instead of improvements in productivity per unit area. In the past, cultivation was, for the most part, done in the upland areas. However, with changing climate and rising population pressure, cultivation has extended into wetlands. Prolonged periods of water supply and relatively fertile soils provide wetlands with great potential for expansion and intensification of agriculture production, thus contributing to food security. <br /> The Kilombero floodplain, one of the largest rice-producing areas, was the focus of the BMBF funded project “GlobE Wetlands”. The Wetlands project was poised to assess the potential of transforming lowland wetlands into a breadbasket of East Africa, and provide science-based guidelines, tools and policy advice to facilitate the process. The knowledge gains obtained by different project groups within the GlobE-Wetlands project shaped the design of the agronomic experiments and guided the choice of treatments and their application in this thesis. <br /> In Kilombero, smallholder farmers produce rainfed lowland rice mainly in floodplain environments that are characterised by low soil nitrogen contents of the predominant Fluvisols and highly variable hydrological conditions, resulting in low yields and large yield variations. This thesis's studies were designed to compare farmers’ management practices, evaluate the effects of alternative management options on lowland rice performance, and define key contributing factors towards improved site-specific management. Field experiments were carried out near Ifakara, Tanzania, in three hydrological zones of Kilombero floodplain, namely the potentially drought-prone fringe, the favourable middle and the submergence-prone center positions over four years. Treatments on varying land, water and fertilizer management were implemented in researcher-managed plots, following hierarchical yield gap procedures. <br /> Grain yields of rice (averaged over the four treatments) were higher in the fringe (6.5 t/ha) and the middle (5.7 t/ha) than in the center positions (4.6 t/ha). Farmers’ practice with no field bunding and land levelling and no fertilizer application resulted in the lowest yield (3.0 t/ha) and highest yield variability, with an adjusted coefficient of variation of up to 91% between years and positions. Simple soil and water management such as land levelling and the building of water-retaining field bunds significantly increased rice grain yields beyond farmers’ practice in the fringe and middle positions, where grain yields were generally higher than in the submergence-prone center position. Also, yield variability and hence the production risks were highest in the center and lowest in the fringe positions. <br /> Depending on the position within the floodplain, organic treatments increased rice grain yields by >60%. Sole green or farmyard manure applications had similar effects on grain yield. In contrast, a combination of green and farmyard manure led to a significant increase in grain yield beyond both the control and sole application of organic amendments. Despite partial N balances being mostly negative, we observed positive residual effects on the non-amended rice in the fourth year of the study. Manure applications significantly increase soil C and N contents, hence enhancing soil fertility and increasing rice grain yields. On average across years and positions, the potential, attainable, and farmers’ actual yields were 11.5, 8.5, and 2.8 t/ha, respectively. Most management options tested contributed substantially to closing sizeable prevailing yield gaps. Thus, simple field bunds combined with land levelling closed up to 35% of the exploitable yield gap. Mineral N and organic amendments contributed up to 60% of the potential yield. Combinations of improved land, water management, and mineral N application closed up to 80% of the exploitable yield gap. Mineral N tended to be more effective in closing the yield gap than green or farmyard manure. While fertilizer strategies improved soil fertility and reduced yield gaps, their relative benefits showed a high site-and system-specificity. Thus, this thesis provides insights on the rice performance at different hydrological positions and in different years, highlighting the potential for a sustainable increase in rice yield in highly variable floodplain wetlands. Combined with recommendations from other groups of the Wetlands consortium, these findings contribute to guiding policy formulation and agronomic recommendations for Kilombero floodplain, and possibly beyond, to environments with similar climatic, edaphic and socio-economic conditions.

Im Afrika südlich der Sahara trägt die Landwirtschaft mit bis zu 50% zum BIP bei. Der Anstieg der landwirtschaftlichen Produktion in der Region ist überwiegend auf die Ausweitung der Fläche und nicht auf die Verbesserung der Produktivität pro Einheit zurückzuführen. In der Vergangenheit erfolgte der Anbau von Kulturpflanzen vorwiegend im Trockenfeldbau. Mit Klimawandel und steigendem Bevölkerungswachstum dehnt sich der Anbau jedoch zunehmend in Feuchtgebiete aus. Mit längeren Perioden der Wasserverfügbarkeit und relativ fruchtbaren Böden eröffnen Feuchtgebiete ein großes Potenzial für die Ausweitung und Intensivierung der landwirtschaftlichen Erzeugung und können so zur Ernährungssicherheit beitragen. <br /> Die Kilombero-Überflutungsebene, eines der größten Reisanbaugebiete Tansanias, stand im Mittelpunkt des vom BMBF-geförderten Projekts "GlobE-Wetlands". Das Projekt untersuchte die Möglichkeiten einer Umwandlung von Feuchtgebieten in landwirtschaftliche Nutzflächen und deren zukünftige Bedeutung als mögliche Kornkammer Ostafrikas. Hierfür wurden empirische und Modell-gestütze Untersuchungen durchgeführt und wissenschaftlich fundierte Leitlinien und Instrumente für die Politikberatung entwickelt. Die von verschiedenen Gruppen im Rahmen des GlobE-Wetlands Projektes gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Gestaltung der agronomischen Experimente ein und leiteten die Wahl der Behandlungen und deren Anwendung im Rahmen der vorliegenden Arbeit. <br /> Kleinbauern in Ostafrika produzieren Nassreis im Regenfeldbau vor allem in den großen Überschwemmungsgebieten der Region. Diese zeichnen sich durch niedrige Stickstoffgehalte der vorherrschenden Fluvisole und stark schwankende hydrologische Bedingungen aus, die zu niedrigen Erträgen und großen Ertragsschwankungen führen. Die vorliegenden Studien verglichen die Bewirtschaftungsweisen der Landwirte, bewerteten die Auswirkungen alternativer Praktiken auf Reiserträge, und analysieren Schlüsselfaktoren, welche zu einer standort-spezifischen Bewirtschaftung im Hinblick auf künftige Ertragssteigerungen beitragen. Die Untersuchungen erfolgten in der Nähe der Stadt Ifakara und wurden über einen Zeitraum von vier Jahren in drei hydrologischen Zonen der Kilombero Überschwemmungsebene durchgeführt (potenziell dürregefährdete Randgebiete, günstige mittlere und überflutungsgefährdete Zentralpositionen). <br /> Die Kornerträge von Reis (gemittelt über die vier Behandlungen) waren in den Randbereichen (6,5 t/ha) und in der Mitte (5,7 t/ha) höher als in den zentralen Positionen (4,6 t/ha). Die übliche Praxis der Landwirte (keine Eindeichung, keine Düngereinsatz) führte zu den niedrigsten Erträgen (3,0 t/ha) und der höchsten Ertragsvariabilität, mit einem angepassten Variationskoeffizienten von bis zu 91% zwischen Jahren und Positionen. <br /> Einfaches Boden- und Wassermanagement, wie die Nivellierung des Bodens und der Bau von wasserrückhaltenden Felddeichen, steigerte die Erträge deutlich, besonders in den Rand- und Mittelpositionen. Auch die Ertragsvariabilität und damit die Produktionsrisiken waren am höchsten im Zentrum and am geringsten in den Randpositionen der Überstauungsebene. <br /> Abhängig von der Lage der Felder innerhalb der Überschwemmungsebene erhöhte organische Düngung die Reiskornerträge um >60%. Die Einarbeitung von Gründünger und die Ausbringung von Stallmist hatte vergleichbare Effekte auf den Kornertrag, während eine Kombination beider Dünger den Kornertrag gegenüber der ungedüngten Kontrollvariante signifikant erhöhte. Obwohl die partiellen N-Bilanzen meist negativ waren, beobachteten wir bei organischer Düngung positive Effekte auf den Ertrag einer ungedüngten Reiskultur. So erhöhten drei Jahre kontinuierlicher organischer Düngung signifikant die C- und N-Gehalte des Bodens, was mittelfristig die Bodenfruchtbarkeit verbesserte und sich in deutlich höheren Erträgen im vierten Untersuchungsjahr niederschlug. <br /> Im Durchschnitt der Jahre und Positionen, lag der potentielle (simulierte), der erzielbare und der tatsächliche Ertrag der Landwirte bei 11,5, 8,5 und 2,8 t per ha. Die meisten getesteten Bewirtschaftungsoptionen trugen wesentlich zur Schließung der großen bestehenden Ertragslücken bei. So konnte durch einfache Feldanpflanzungen in Kombination mit einer Nivellierung des Bodens bis zu 35% der nutzbaren Ertragslücke geschlossen werden. Mineralische N und organische Düngerapplikationen trugen mit bis zu 60% zum potenziellen Ertrag bei. Eine Kombination aus verbessertem Land- und Wassermanagement sowie einer mineralischen N-Düngung vermochte 80% der nutzbaren Ertragslücke zu schließen. Insgesamt war mineralischer N wirksamer als Gründünger oder Stallmist. Während beide Düngungsvarianten ertragswirksam waren, ergaben sich deutliche standortspezifische Unterschiede in deren Wirksamkeit in Abhängigkeit der Jahre (Niederschlagsmenge) und der Feldpositionen (Wasserverfügbarkeit). <br /> Diese Arbeit gibt Einblicke in die Ertragsleistung von Reis an verschiedenen hydrologischen Positionen und in unterschiedlichn Jahren innerhalb der Überschwemmungsebene und unterstreicht das hohe Potential einer system- und standortspezifischen Landwirtschaft für eine nachhaltige Intensivierung der Reisproduktion unter solchen hydrologisch hochgradig variablen Umweltbedingungen. Kombiniert mit Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen im "Wetlands" Konsortium tragen die hier gewonnenen Erkenntnisse zur Formulierung von Nutzungsempfehlungen und zur Politikberatung in Kilombero und an anderen vergeichbaren Standorten der Region bei.