Land Preparation Methods and Soil Quality of a Vertisol Area in the Central Highlands of Ethiopia

The industrialization of agriculture led to societal concerns for environmental protection and food quality in developed countries. On the other hand, the need for increased agricultural productivity to address the persistent poverty and food insecurity in developing countries is intensified. Thus, improved management systems to meet the double objectives of increased productivity and sustained environmental quality are increasingly required. The assessment of soil quality and productivity are among the means of monitoring the various management systems to achieve the goals. Among the interrelated definitions formulated for soil quality, a committee established by Soil Science Society of America for the same purpose defined it as the capacity of soil to function within natural and managed ecosystem boundaries to sustain plant and animal productivity, maintain or enhance soil, water and air quality and support human health and habitation. The central idea in most of the definitions is the capacity of the soil to function. The capacity of a soil to function depends on its inherent properties derived from its genesis and the dynamic properties resulting from the prevailing management systems. Most of the hitherto soil quality assessments considered agricultural production as the major management goal. As this study was conducted in the highlands of Ethiopia where food security remains a basic challenge, the primary management goal could not be different. Shortage and fragmentation of land driven by population pressure have become issues of concern in the area. With a continually dwindling national land-holding average of only one ha per household, farmers struggle to produce enough to feed their families. Since the possibility of expanding agricultural land is limited, increased production is realistic only from higher productivity per unit land per unit time. Covering about 8 million ha, Vertisols are among the high potential soils, where significant increase in productivity is likely. However, their productivity is constrained by their physical and hydrological properties, manifested by their hardness when dry and their stickiness when wet, impeding land preparation. The traditional management systems led neither to increased productivity nor to enhanced soil quality. Thus, the need for alternative technologies is paramount. Despite a concerted effort during the last two decades to develop improved technologies for the soils, land preparation for agricultural productivity and sustaiability remains a major challenge. In addition to technical difficulties associated with their nature and deep-rooted poverty and illiteracy, lack of farmers? participation is believed to have hampered the development and adoption of robust technologies. The challenge facing the soil management research in Ethiopia is thus double fold: development of technologies that swiftly increase agricultural production and ensure judicious use of the land resources. Farmers are the ultimate decision makers on their plots, at least in Ethiopia, often irrespective of the consequences of their decisions. Simple technologies are required to manipulate their decisions in favour of the desired goals. This requires development of technologies that fit into their aspiration, tradition and socio-cultural values with their participation in the generation and evaluation of the technologies. This study was to identify alternative land preparation methods for increased productivity and economic profitability, while maintaining or enhancing the soil quality of the Vertisols. The hypothesis tested was that the alternative land preparation methods improve soil productivity and maintain or enhance soil quality. Three alternatives, Broad Bed and Furrow (BBF), Green Manure (GM) and Reduced Tillage (RT) with the traditional method, Ridge and Furrow (RF) were compared for 6 years, setting crop yield, economic profitability, and soil erosion and soil quality as performance indicators. This on station experiment was complemented by a participatory assessment at a small watershed scale. The objectives of the latter were identification of local soil functions, definition of soil quality concepts, and identification of soil quality indicators and evaluation of the soils for the major functions. Land preparation methods influence soil functions through their effects on soils qualities. Among the soil physical quality indicators considered, GM increased aggregate stability and reduced surface crust strength due to its increased OM content and microbial activities. While RT led to least penetration resistance, infiltration, water-holding capacity, and moisture content were less sensitive to the treatments. The chemical characteristics and plant nutrients response was not consistent indicating the need of longer time for the effects to show a clear trend. Organic carbon and MBC content of the soil increased due to RT and GM, but the increment was not proportional leading to lower microbial quotient. This indicates SOM build up with a long-term soil quality improvement. The effect on runoff was inconsistent during the first three years (1998-2000), but BBF and RT slightly increased. In 2001 and 2002, BBF drained 67% and 54 %, respectively, of the seasonal rainfall as runoff while RT routed 61% and 53%. There is a non significant tendency of increased soil and nutrient losses from BBF and RT due to the increased runoff. BBF significantly increased the grain yield of lentils by 59% (1.03 t ha-1 to 1.63 t ha-1) compared to the control. Similarly, RT resulted in the highest grain yield of wheat (1.86 t ha-1) and tef (1.34 t ha-1). Economically, BBF is the most profitable option for lentils with 65% increase in total gross margin while RT resulted in 11% and 8% increase in gross margin of wheat and tef, respectively, as compared to the control. The soil quality index was not significantly affected by the land preparation methods. Nevertheless, GM has shown a slight enhancement with the highest SQI, followed by BBF and RT. Thus, the land preparation methods are favoured in order of GM> BBF> RT> RF, for soil quality. The relative enhancement of soil quality by GM was linked mainly to its increased Corg content. The performance indicators (productivity, economic profitability, soil conservation and soil quality) are also affected differently. A matrix ranking of the effects on the indicators showed that none of treatments is superior for all the indicators. The average of the ranks (no weight attached) showed that BBF was the most favourable followed by RT. Therefore, the methods are preferred in the order of BBF> RT>GM=RF considering the overall indicators. The superiority of BBF and RT corresponds to their productivity and economic benefits. For soil quality and erosion control, GM is a favourable option. However, as its economic benefit was low, further improvement is required. In addition, lack of fast growing legumes tolerant to both shortage and excess water, failure of the short rain for planting, cost of chopping and incorporating the cover crops and the possible need of special equipment for incorporating may hinder its wider application and hence need further investigation. The success of the alternatives depends on the farmers? capacity and willingness to invest. As the issues of soil quality and land degradation are more of societal concerns than of the individual farmers, external technical and financial incentives are desirable to enhance their capacity and to initiate their interest. Institutional and policy issues influencing agriculture and natural resource management and uncertainties like variation in weather deserve judicious consideration.

Die Industrialisierung der Landwirtschaft hat in den Entwicklungsländern zu einer öffentlichen Besorgnis in Bezug auf den Umweltschutz und die Nahrungsmittelqualität geführt. Andererseits wächst die Notwendigkeit die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern, um der andauernden Armut und Ernährungsunsicherheit zu begegnen. Daher bedarf es umso mehr verbesserter Anbausysteme, um beide Ziele, Steigerung der Produktivität und Erhaltung der Umweltqualität, zu sichern. Die Erfassung von Bodenqualität und Produktivität ist ein Instrument, um die Leistungsfähigkeit von unterschiedlichen Managementsystemen im Hinblick auf die Zielerreichung zu überprüfen. Eine der mannigfaltigen Definitionen für Bodenqualität wurde von einem Kommittee der Soil Science Society of America aufgestellt. Danach ist Bodenqualität die Fähigkeit des Bodens sowohl in natürlichen als auch in bewirtschafteten Ökosystemen seine Funktionen zu erfüllen, welche sind: Pflanzen-und Tierproduktivität zu erhalten, Erhaltung oder Erhöhung von Boden- Wasser- und Luftqualität und Unterstützung der Gesundheit und des Wohnraums von Menschen. Die Fähigkeit des Bodens seine Funktionen zu erfüllen hängt von seinen spezifischen Eigenschaften ab, die sich aus seiner Enstehung und den dynamischen Eigenschaften, die sich aus der Nutzung ergeben, ableiten. Die meisten der bisher gemachten Bodenqualitätserhebungen betrachteten die landwirtschaftliche Nutzung als Hauptnutzungsziel. In der vorliegenden Untersuchung im Hochland Äthiopiens, wo Ernährungssicherheit eine grundlegende Herausforderung ist, kann das primäre Nutzungsziel kein anderes sein. Knappheit und Stückelung der Fläche, ausgelöst durch den Bevölkerungsdruck, sind zu den Hauptproblemen in diesem Gebiet geworden. Bei einer ständig abnehmenden mittleren Fläche von nur einem ha pro Familie (ein mittlerer Haushalt hat sieben Personen), müssen die Bauern darum kämpfen, genug Nahrungsmittel für ihre Familien zu produzieren. Da die Möglichkeiten der Ausdehnung der landwirtschaftlichen Nutzfläche begrenzt sind, ist eine Produktionssteigerung nur über eine höhere Flächenproduktivität zu realisieren. Die Vertisole repräsentieren in dieser Region eine Fläche von 7,6 Mio Hektar und gehören zu jenen Böden mit hohem Ertragspotential, auf denen in dieser Region eine Erleichterung des Drucks auf die fragileren Böden durch signifikante Ertragsteigerungen möglich wäre. Jedoch ist deren Produktivität eingeschränkt durch ihre physikalischen und hydrologischen Eigenschaften, insbesondere ihre Härte bei Trockenheit und ihre Plastizität bei Sättigung, die eine Bodenbearbeitung erschweren. Die traditionellen Nutzungssysteme führten weder zu erhöhter Produktivität noch zu verbesserter Bodenqualität. Alternative Technologien sind deshalb von außerordentlicher Bedeutung. Trotz konzertierter Anstrengungen während der letzten beiden Jahrzehnte verbesserte Technologien für die Böden zu entwickeln, bleibt eine auf hohe Produktivität und Nachhaltigkeit ausgerichtete Bodenbearbeitung die größte Herausforderung. Neben den technischen Schwierigkeiten, die mit der Natur der Böden zusammenhängen, der tiefen Armut und des Analphabetismus, wird die mangelnde Bereitschaft der Bauern zur Zusammenarbeit als Hemmschuh für die Entwicklung robuster Technologien angesehen. Das Bodenmanagement begegnet daher in Äthiopien einer zweifachen Herausforderung: Entwicklung von Technologien, die möglichst schnell die landwirtschaftliche Produktion erhöhen und gleichzeitig die sachgerechte Nutzung der Landressourcen sichern. Bauern sind die letztendlichen Entscheidungsträger auf ihren Feldern. Allerdings, zumindest in Äthiopien, ohne Rücksicht auf die Konsequenzen. Einfache Technologien sind nötig, um ihre Entscheidungen zugunsten der gewünschten Ziele zu lenken. Oft adoptieren sie Methoden, die ihren Wünschen, Traditionen, soziokulturellen Werten sowie ihren primären Managementzielen entsprechen. Daher müssen sie an der Entwicklung und Bewertung neuer Technologien beteiligt werden. Die vorliegende Untersuchung hatte zum Ziel, alternative Bodenbearbeitungsmethoden zu identifizieren, die in der Lage sind Produktivität des Bodens und ökonomische Rentabilität zu steigern und gleichzeitig die Bodenqualität der Vertisole zu erhalten bzw. zu erhöhen. Es wurde die Hypothese getestet, dass die Bodenbearbeitungsmethoden die Produktivität des Bodens erhöhen und die Bodenqualität erhalten bzw. fördern. Drei Alternativen, Broad Bed and Furrow (BBF), Green Manure (GM) und Reduced Tillage (RT) wurden mit der traditionellen Methode (Ridge and Furrow RF) über sechs Jahre hinweg verglichen, wobei Pflanzenproduktivität, ökonomische Rentabilität, Bodenerosion und Bodenqualität als Indikatoren für die Zielerreichung gewählt wurden. Diese Untersuchung auf Feldebene, die auf einer Versuchsstation durchgeführt wurde, wurde ergänzt durch eine partizipative Erhebung auf der Einzugsgebietsebene. Die Ziele dieser Studie waren die Identifizierung von lokalen Bodenfunktionen, Definition von Bodenqualitätskonzepten, die Identifizierung von Bodenqualitätsindikatoren und die Bewertung der Böden in Bezug auf ihre Hauptfunktionen. Bodenbearbeitungmethoden beeinflussen Bodenfunktionen durch ihre Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Unter den bodenphysikalischen Indikatoren erhöhte GM die Aggregatstabilität und verminderte die Oberflächenverkrustung durch die Erhöhung des Gehalts an organischer Substanz und der mikrobiellen Aktivität. Andererseits führte RT zum geringsten Eindringwiderstand. Infiltration, Wasserhaltefähigkeit und Wassergehalt waren weniger sensitiv gegenüber den Behandlungen. Die chemischen Eigenschaften und Pflanzennährstoffe reagierten nicht eindeutig. Längere Beobachtungszeiträume scheinen nötig, um klare Trends aufzuzeigen. Der Gehalt an organischem Kohlenstoff und mikrobieller Biomasse im Boden wurde durch RT und GM erhöht, allerdings waren die Zunahmen nicht proportional, so dass der mikrobielle Quotient kleiner wurde. Das deutet auf den Aufbau von organischer Bodensubstanz mit Langzeiteffekt hin. Die Auswirkung auf den Oberflächenabfluss war nicht konsistent während der ersten drei Jahre (1998-2000), wurde aber durch BBF und RT leicht erhöht. In den Jahren 2001 und 2002 wurde in BBF 67 bzw. 54% des Niederschlags während der Vegetationsperiode als Oberflächenabfluss abgeführt, und bei RT 61 bzw. 53%. Es gab eine nicht signifikante Tendenz zu ansteigendem Boden- und Nährstoffverlust unter BBF und RT aufgrund eines erhöhten Oberflächenabflusses. BBF erhöhte signifikant die Kornerträge von Linsen um 59% (von 1.03 auf 1.63 t ha-1 im Vergleich zur Kontrolle). Ähnlich verursachte RT den höchsten Kornertrag von Weizen (1.86 t ha-1) und Tef (1.34 t ha-1). Ökonomisch gesehen war BBF am rentabelsten für Linsen mit einer 65% igen Steigerung des Deckungsbeitrags während RT im Vergleich zur Kontrolle nur 11 und 8% höhere Deckungsbeiträge für Weizen und Tef lieferte. Der Bodenqualitätsindex (SQI) wurde durch die Bodenbearbeitungsmethode nicht signfikant beeinträchtigt. Trotzdem zeigte GM den höchsten SQI gefolgt von BBF und RT. Daher ergibt sich für die Bewertung der Bodenbearbeitungsmaßnahmen in Bezug auf die Bodenqualität folgende Reihenfolge GM>BBF>RT>RF. Die relative Zunahme der Bodenqualität durch GM war hauptsächlich an die Erhöhung des Gehalts an Corg gebunden. Die Güteindikatoren (Produktivität, Rentabilität, Bodenerhaltung und Bodenqualität) wurden unterschiedlich stark beeinträchtigt. Eine Rangfolgenmatrix der Auswirkungen auf die Bewertungsindikatoren zeigte, dass keine der Behandlungen sich für alle Indikatoren als die Beste erwies. Bildet man das Mittel der Rangfolgen (ohne Gewichtungsfaktoren) zeigt sich BBF als die günstigste Bodenbearbeitungsmethode, gefolgt von RT. Insgesamt ergibt sich, wenn man alle Indikatoren berücksichtigt, als Bewertungsrangfolge BBF>RT>GM=RF. Die Überlegenheit von BBF und RT entspricht ihrer höheren Produktivität und Rentabilität. Bezüglich Bodenqualität und Erosionskontrolle ist GM die günstigste Alternative. Da jedoch ihr ökonomischer Verlust hoch war, sind weiter Verbesserungen dieser Technologie, wie Verminderung der technischen Komplexizität, der Kosten und den damit verbundenen Risiken nötig, um ihre Vorteile zu erhöhen. Zudem können folgende Probleme ihre weitere Verbreitung hindern: der Mangel an schnellwachsenden Leguminosen, die sowohl tolerant gegenüber Wasserüberschuß als auch Wassermangel sind, Ausfall der Frühregen zur Aussaat, die Kosten für das Abschlagen und Einarbeiten der Bodendecker und der eventuelle Bedarf an speziellen Geräten für die Einarbeitung. Die Verbesserung dieser Technologie sollte daher Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Der Erfolg der alternativen Bodenbearbeitungsmaßnahmen hängt von der Kapazität und Bereitschaft der Bauern zu Investitionen ab. Da in Äthiopien Bodenqualität und Landdegradierung eher für die Gesellschaft als für den einzelnen Bauern ein Grund zur Sorge sind, sollten externe technische und finanzielle Anreize in Erwägung gezogen werden, um die Kapazität der Bauern zu erhöhen und ihr Interesse zu wecken. Institutionelle und politische Aspekte, welche die Landwirtschaft und die Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen beeinflussen sowie andere Unsicherheiten, wie beispielsweise die Variabilität der Witterung, sollten nicht außer-acht gelassen werden.