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The Influence of Land-use
Activities on Nutrient Inputs into Upland Catchment Streams, Ghana





Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn




vorgelegt von
ADELINA MARIA MENSAH
aus
GHANA

Bonn 2009





































1. Referent: Prof. Dr. Paul Vlek

2. Referent: Prof. Dr. Sebastian Schmidtlein

Tag der Promotion: 17.07.2009

Erscheinungsjahr: 2009

Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert

















Life is simple. Man complicates it when he doesn’t follow the simple pathways that
govern. An honorable intension is the beginning; persistent questioning, the direction;
and inner guidance, the key. Then man works with life to create magnificence.
- Adelina Mensah, July 17 2008 -





To my parents, for giving me the opportunity to create
ABSTRACT

In Ghana, increasing agricultural productivity is seen as an essential component of most
development programs. The main objective of this study was to assess the implications of
increased land-use activities on in-stream nutrients and impacts on the quality of water for
domestic use and on aquatic ecosystem health. To guide the evaluation of the land-water
interlinkages, the conceptual structure defined by the DPCER (Driving forces-Pressure-
Chemical state-Ecological state-Response) framework was used, which is an adapted
version of the traditional DPSIR (Driving forces-Pressure-State-Impact-Response) model.
The study compares three small upland sub-catchments in the same geo-morphologic Ofin
Basin of the Ahafo-Ano South District. Based on the percentage cover of natural land to
agricultural land, the catchments were categorized as low (Nyamebekyere), medium
(Dunyankwanta), and high (Attakrom) land-use intensities. With simple mathematical tools
and selected indicators, the performance of each link within the DPCER framework was
evaluated, and with the comparison of each set of indicators between catchments, changes
as a function of land-use intensity were assessed.
Despite overall minimal fertilizer use in Ghana, there were significant differences
between the sub-catchments regarding the proportion of farmers who applied fertilizers.
Attakrom showed the highest numbers of farmers (20.5%) as compared to Dunyankwanta
(12.3%) and Nyamebekyere (0.0%), with applications mainly to cash crops such as cocoa
and maize. Simple logistic regression explained that fertilizer use was considerably
influenced by the farmer’s access to services such as farm loans and agricultural extension
services, in addition to property rights and residential status. The Beale’s Ratio method,
-1 -1used to calculate the total annual load (kg yr ) and yield (kg ha ) for major nutrients (Ca,
K, Mg, Na, NO -N, NH -N, and PO -P), showed that the highest nutrient export was from 3 4 4
Dunyankwanta at a relative magnitude of up to 3-fold the values of the other two
-1catchments. The annual water yield was highest in Dunyankwanta (79.91 mm yr ) as
-1 -1compared to Nyamebekyere (41.33 mm yr ) and Attakrom (22.87 mm yr ). Total annual
water yield was the main determinant of the total nutrient loads/yields, and ranged between
2.3% and 6.2% of the total annual precipitation. 48-hour grab water samples confirmed that
in-stream nutrient concentrations increased with increasing land-use intensity, with
significant differences between catchments for the major cations (Ca, Mg, K and Na).
Median values for all nutrients were in the optimal range of the Ghana Target Water Quality
Range (TWQR) for domestic use and for aquatic ecosystem health. The distribution of
macroinvertebrate taxa as a function of stream chemistry also showed significant
differences in the ecological states of the upland catchment streams.
The DPCER framework with a comparative catchment component was an
effective methodology for describing changes as land-use intensifies. Water yield is
important in estimating total nutrient export, and the inclusion of a hydrological component
in the DPCER framework is proposed - to form a DHPCER model (Driving forces-
Hydrology-Pressure-Chemical state-Ecological state-Response). The significant differences
observed in each component of the framework strongly suggest anthropogenic influence.
With Ghana’s objectives for increased agricultural productivity, the results of this study
demonstrate the need for incorporating integrated water resource management into
development agendas. KURZFASSUNG

Die Auswirkungen der zunehmenden Landnutzung auf die Nährstoffe in den
Flussaufwärtsläufen in Ghana

In Ghana wird eine Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität als notwendiger
Bestandteil der meisten Entwicklungsprogramme betrachtet. Das Hauptziel dieser
Studie ist die Bewertung der Auswirkungen der zunehmenden Landnutzungsaktivitäten
auf die Nährstoffe in den Wasserläufen sowie auf die Qualität des Wassers für den
häuslichen Gebrauch und der Wasserökosysteme. Um die Ermittelung der Land-
Wasser-Zusammenhänge zu unterstützen, wurde das DPCER-Modell (Driving forces-
Pressure-Chemical state-Ecological state-Response) eingesetzt, eine überarbeitete
Version des traditionellen DPSIR- Modells (Driving forces-Pressure-State-Impact-
Response). Die Studie vergleicht drei kleine Wassereinzugsgebiete im Hochland im
gleichen geo-morphologischen Becken im Ahafo-Ano South Distrikt. Auf der
Grundlage des Anteils von Land mit natürlicher Vegetationsbedeckung im Vergleich zu
landwirtschaftlichen Flächen wurden diese drei Bereiche klassifiziert als Gebiete mit
niedriger (Nyamebekyere), mittlerer (Dunyankwanta) bzw. hoher (Attakrom)
Landnutzungsintensität. Mit einfachen mathematischen tools und ausgewählten
Indikatoren wurde die Leistung jeder Verknüpfung innerhalb des DPCER bewertet und
die Veränderungen als Funktion von Landnutzungsintensität durch den Vergleich der
einzelnen Indikatorgruppen der Einzugsgebiete bestimmt.
Trotz einem insgesamt geringen Verbrauch von Dünger in Ghana zeigen sich
signifikante Unterschiede zwischen den drei Gebieten in Bezug auf den Anteil der
Farmer, die Dünger benutzten. In Attakrom war die Anzahl der Farmer am höchsten
(20.5%) verglichen mit Dunyankwanta (12.3%) und Nyamebekyere (0.0%), wobei der
Dünger hauptsächlich beim Anbau von Cash Crops wie Kakao und Mais eingesetzt
wurde. Die einfache logistische Regression deutet daraufhin, dass der Gebrauch von
Dünger stark durch den Zugang der Farmer zu, z.B., Krediten und landwirtschaftlicher
Beratung beeinflusst wird sowie durch Landbesitzrechte und Wohnstatus. Die Beale’s
-1Ratio-Methode, die für die Berechnung der jährlichen Gesamtmenge (kg Jahr ) und
-1Menge per Hektar (kg ha ) der wichtigsten Nährstoffe (Ca, K, Mg, Na, NO -N, NH -N, 3 4
and PO -P) eingesetzt wurde, zeigt den höchsten Nährstoffexport aus Dunyankwanta 4
mit einem relativen Wert von bis zu dreimal der Werte der anderen beiden Gebiete. Der
jährliche Wasservolumen per Hektar war am höchsten in Dunyankwanta (79.91 mm
Jahr-1) verglichen mit Nyamebekyere (41.33 mm Jahr-1) und Attakrom (22.87 mm
Jahr-1). Dieser Wert war der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Gesamtnährstoffe
und lag zwischen 2.3% und 6.2% des jährlichen Niederschlags. Die Ergebnisse der 48-
stündlichen Wasserproben (grab sampler) bestätigen, dass die Nährstoffkonzentrationen
in den Wasserläufen mit der Landnutzungsintensität steigen mit signifikanten
Unterschieden zwischen den Einzugsgebieten bei den wichtigsten Kationen (Ca, Mg, K
und Na). Die mittleren Werte für alle Nährstoffe waren im optimalen Bereich der Ghana
Target Water Quality Range (TWQR - Qualitätsgrenzwerte) für Haushaltswasser und
Wasserökosysteme. Die Verteilung der Taxa der Makrowirbellosen, die von den
chemischen Zusammensetzungen der Flüsse beeinflusst ist, zeigte signifikante
Unterschiede im ökologischen Zustand der Einzugsgebiete im Hochland. Das DPCER Modell mit einer Komponente zum Vergleich der Einzugsgebiete ist eine
effektive Methode zur Beschreibung der Veränderungen als Folge von zunehmender
Landnutzungsintensität. Der Wasservolumen per Hektar ist wichtig bei der Ermittlung
des gesamten Nährstoffexports; die Einbeziehung einer hydrologischen Komponente im
DPCER zur Bildung eines DHPCER Modells (Driving forces-Hydrology-Pressure-
Chemical state-Ecological state-Response) wird vorgeschlagen. Die beobachteten
signifikanten Unterschiede deuten stark auf menschlichen Einfluss hin. Ghana hat eine
Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität zum Ziel und die Ergebnisse dieser
Studie zeigen, dass es notwendig ist, integriertes Wassermanagement bei
Entwicklungsprogrammen hierbei zu berücksichtigen. TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION ........................................................................................... 1
1.1 Land-use and impacts to the aquatic ecosystem .............................................. 2
1.2 Conceptual framework and research objectives 4
1.2.1 Research structure............................................................................................ 7
1.2.2 Research question and main objectives ........................................................... 9
1.3 Justification of the study ................................................................................ 10
1.4 Structural overview........................................................................................ 11
2 LITERATURE REVIEW .............................................................................. 13
2.1 Introduction ................................................................................................... 13
2.2 Landscape and river ecosystems .................................................................... 14
2.2.1 Integrated assessment .................................................................................... 15
2.3 Interlinkages - using the DPCER approach ................................................... 17
2.3.1 Driving forces - land-use and agriculture ...................................................... 20
2.3.2 Pressure - Nutrient loading ............................................................................ 26
2.3.3 Hydrology .................................................................................................. 27
2.3.4 Chemical state - Stream physico-chemistry .................................................. 37
2.3.5 Ecological state - Biotic fauna ....................................................................... 41
2.3.6 Policy response .............................................................................................. 46
3 STUDY AREA 49
3.1 General description ........................................................................................ 49
3.1.1 Climate 50
3.1.2 Physical features ............................................................................................ 51
3.1.3 Land use and agriculture ................................................................................ 52
3.1.4 Vegetation .................................................................................................. 53
3.1.5 Social Setting ................................................................................................. 53
3.2 Sample site description .................................................................................. 54
3.2.1 Upland Catchments........................................................................................ 56
3.2.2 Downstream Sites .......................................................................................... 58
4 LAND USE AND FARMING SYSTEMS ................................................... 65
4.1 Introduction ................................................................................................... 65
4.2 Methodology .................................................................................................. 66
4.2.1 Data analysis 68
4.3 Results and discussion ................................................................................... 68
4.3.1 Services .................................................................................................. 69
4.3.2 Household characteristics .............................................................................. 71
4.3.3 Wealth 78
4.3.4 Farming and cropping system........................................................................ 85
4.3.5 Water resources and sanitation ...................................................................... 98
4.4 Summary ...................................................................................................... 100 5 LAND USE AND STREAM NUTRIENTS ............................................... 102
5.1 Introduction ................................................................................................. 102
5.2 Methodology ................................................................................................ 103
5.2.1 Hydrology ................................................................................................ 103
5.2.2 Physico-chemistry and nutrient ion concentration ...................................... 104
5.3 Data Analysis ............................................................................................... 107
5.3.1 Hydrology 107
5.3.2 Stream chemistry ......................................................................................... 112
5.3.3 Nutrient load estimation .............................................................................. 113
5.3.4 Statistical tests ............................................................................................. 117
5.4 Results and Discussion ................................................................................ 119
5.4.1 Annual dynamics 119
5.4.2 Temporal dynamics ..................................................................................... 132
5.5 Summary ...................................................................................................... 144
6 AQUATIC MACROINVERTEBRATES AND STREAM PHYSICO-
CHEMISTRY .............................................................................................. 146
6.1 Introduction ................................................................................................. 146
6.2 Methodology ................................................................................................ 147
6.2.1 Watershed/Habitat Approach ...................................................................... 147
6.2.2 Physico-Chemical Condition ....................................................................... 147
6.2.3 Biological Condition ................................................................................... 148
6.2.4 Quality Assurance........................................................................................ 148
6.3 Data Analyses .............................................................................................. 149
6.3.1 Macroinvertebrate assemblage description ................................................. 149
6.3.2 Site grouping based on macroinvertebrate assemblages ............................. 151
6.3.3 Site grouping based on environmental variables ......................................... 151
6.3.4 Community structure and environmental variable linkages ........................ 151
6.3.5 Measurement of community stress .............................................................. 152
6.4 Results ......................................................................................................... 153
6.4.1 Macroinvertebrate assemblage .................................................................... 153
6.4.2 Site grouping based on macroinvertebrate assemblage ............................... 158
6.4.3 Site groupings based on environmental variables ....................................... 161
6.4.4 Linking environmental factors to macroinvertebrate assemblage
structure ................................................................................................ 170
6.4.5 Measurement of community stress .............................................................. 173
6.5 Discussion .................................................................................................... 175
6.6 Summary ...................................................................................................... 181
7 DPCER SYNTHESIS .................................................................................. 182
7.1 Interlinkages ................................................................................................ 182
7.1.1 Drivers of land-use intensification 184
7.1.2 Pressure – nutrient loading .......................................................................... 186
7.1.3 Chemical state – physico-chemistry and nutrient ion concentrations ......... 192
7.1.4 Ecological state ............................................................................................ 196
7.2 Integrated research challenges ..................................................................... 198

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