Improving the water productivity of integrated crop-livestock systems in the semi-arid tropics of Zimbabwe [Elektronische Ressource] : an ex-ante analysis using simulation modeling / Patricia Masikati

Patricia Masikati

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
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Extrait

Zentrum für Entwicklungsforschung
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Improving the water productivity of integrated crop-livestock
systems in the semi-arid tropics of Zimbabwe: an ex-ante
analysis using simulation modeling



Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Grades
Doktor der Agrarwissenschaften
(Dr. agr.)



der Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität
zu Bonn



vorgelegt am 22.12.2010

von
PATRICIA MASIKATI
aus
BULAWAYO, ZIMBABWE



































1. Referent Prof. Dr. H. Goldbach

2. Referent Prof. Dr. P.L.G. Vlek

3. Referent Prof. Dr. K. Südekum

Tag der Promotion: 10.03.2011

Erscheinungsjahr: 2011

Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert ABSTRACT
The semi-arid tropics of Zimbabwe are characterized by low economic activity, high incidence
of land degradation and a high concentration of the rural poor. Water scarcity is also a principle
constraint, and available water is used ineffectively as evidenced by low crop and livestock
water productivity. Low crop productivity is partly attributed to inherent low soil fertility, and
this is further exacerbated by continuous cropping without addition of adequate organic and
inorganic fertilizers due to unavailability and high costs. Feed shortages, especially during the
dry season, high incidence of diseases and high mortality rates cause low livestock productivity.
In this study, soil fertility and feed issues are addressed as they are perceived as constraints
where solutions are within the farmers’ capabilities. On-farm surveys and field experiments
were done in Nkayi district in northwest Zimbabwe to assess the current situation in the crop-
livestock systems. A simulation modeling approach was used to evaluate potential interventions
that can be used as entry points to improve crop and livestock water productivity. Differences in
access to key resources such as labor, land, farm implements and traction power affect overall
crop and livestock productivity, hence three farmer wealth categories were considered, namely
poor, average and better-off.
Crop and livestock production are the main livelihood activities in all three wealth
categories. Average cultivated land was 3 ha and fallow land was 1 ha per household. Livestock
holdings, which include cattle, donkeys and goats, were 2.8, 6.8 and19.6 tropical livestock unit
(TLU) in the poor, average and better-off wealth categories, respectively. Soil fertility in terms
of nitrogen, phosphorus and organic carbon is very low with average values of 0.04, 0.01 and
0.37%, respectively. Crop and livestock water productivity is also very low with average values
-3 -3of 0.04 kg m and US$ 0.02 m , respectively.
Low-cost interventions that use locally available organic inputs are evaluated using
the Agriculture Production Systems Simulator (APSIM) and feed deficits using the MLA Meat
and Livestock Australia (MLA) feed demand calculator. Interventions are farmer practice (FP),
manure (MN) and maize-mucuna rotation (MMR). Their potential effects on crop water
productivity, soil fertility and contribution to dry-season feed are assessed. Average maize grain
-3water productivity is 0.34 0.42 and 0.76 kg m under the FP, MN and MMR treatments,
-3respectively, while that of mucuna (Mucuna pruriens) is 1.34 kg m . Cropping under the FP
and MN treatments shows negative trends in SOC and TN over 30 years across all wealth
-1 -1 -1 -1categories, with losses ranging from 17 to 74 kg ha yr and 6 to 16 kg ha yr , respectively. In
contrast, the MMR treatment shows positive trends in both soil organic carbon (SOC) and total
nitrogen (TN) in the poor and average wealth categories, while in the better-off these values did
-1 -1 -1 -1not change. SOC and TN increase by 2.6 to 194 kg ha yr and 6 to 14 kg ha yr ,
respectively.
-1Crude protein (CP) content in maize stover is 29, 32 and 82 g kg in the FP, MN and
MMR treatments, respectively. The potential contribution to daily feed requirements during the
dry season in terms of dry matter (DM), CP and metabolizable energy (ME) of stover and
mucuna biomass is also evaluated. Maize stover obtained in the FP and MN treatments cannot
supply 100% of the daily required DM, CP and ME. Stover and mucuna biomass in the MMR
treatment can supply 100% of daily required DM, CP and ME in the poor and average wealth
categories and 50% DM and 100% CP and ME in the better-off category. The results of the
study show that the maize-mucuna treatment has the potential to improve soil fertility and crop
and livestock water productivity in the semi-arid smallholder farming systems of Zimbabwe.

 
 
 KURZFASSUNG
Die semiariden Tropen Zimbabwes sind durch eine geringe Wirtschaftskraft, arme
Landbevölkerung und fortgeschrittene Landdegradation gekennzeichnet. Wasserknappheit ist
ein limitierender Faktor und gleichzeitig wird das vorhandene Wasser ineffizient genutzt. Dies
führt zu einer niedrigen Produktivität sowohl im Pflanzenbau als auch in der Viehhaltung.
Neben dem Wassermangel wird die niedrige Produktivität auch auf eine niedrige
Bodenfruchtbarkeit zurückgeführt. Diese wird noch durch permanente Landnutzung (ohne oder
mit verkürzten Brachephasen) mit mangelhafter Düngung, bedingt durch Düngermangel und
hohe Beschaffungskosten verstärkt. Die niedrige Produktivität in der Viehhaltung ist eine Folge
von Futterknappheit während der Trockenzeit sowie häufig auftretender Seuchen und hoher
Mortalitätsraten. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit Fragen der Bodenfruchtbarkeit und
der Viehfutterbereitstellung, da angenommen wird, dass dies Probleme sind, die durch die
betroffenen Bauern selbst gelöst werden können.
Im Nkayi-Distrikt im Nordwesten Zimbabwes wurden Untersuchungen auf
ausgewählten Farmen sowie Feldversuche durchgeführt, um die aktuelle Situation der Anbau-
und Viehhaltungssysteme zu erfassen. Potentielle Maßnahmen zur Steigerung der Produktivität
durch verbesserte Wassernutzung im Anbau und in der Viehhaltung werden durch
Modellsimulation (Agriculture Production Systems Simulator; APSIM) ermittelt. Unterschiede
im Zugang zu wichtigen Ressourcen wie Arbeitskräfte, Land, landwirtschaftliche Geräte und
Zugtiere bzw. -maschinen beeinflussen den Ertrag der Pflanzen- und Tierproduktion. Daher
werden drei Wohlstandskategorien betrachtet: arme, durchschnittlich wohlhabende Farmer und
wohlhabende Farmer.
Ackerbau und Viehhaltung sind die wichtigsten Aktivitäten in allen drei Kategorien.
Die durchschnittliche Größe einer Farm beträgt 4 ha, davon werden 3 ha für den Pflanzenbau
genutzt und 1 ha als Brache. Der durchschnittliche Viehbestand (Rinder, Esel, Ziegen) beträgt
9.5 tropische Großvieheinheiten (TLU). Die Bodenqualität ist gekennzeichnet durch niedrige
Stickstoff-, Phosphor- und organische Kohlenstoffwerte in Höhe von 0.04, 0.01 bzw. 0.37%.
Die Wasserproduktivität im Pflanzenbau und in der Viehhaltung ist ebenfalls sehr niedrig mit
-3 -3durchschnittlichen Werten von 0.04 kg m bzw. 0.02 US$ m .
Maßnahmen mit geringen Kosten, die auch lokal verfügbare organische Dünger
nutzen, werden mit APSIM modelliert. Zur Ermittlung des Futterbedarfs des Viehs wird der
Meat and Livestock Australia (MLA)-Rechner eingesetzt. Die gewählten Maßnahmen sind: von
den Farmern üblicherweise eingesetzte Maßnahmen (FP), organische Düngung (MN) und ein
Fruchtwechsel von Mais und Mucuna (Mucuna pruriens) (MMR). Die potentiellen
Auswirkungen dieser Maßnahmen auf die Wasserproduktivität im Pflanzenbau, auf die
Bodenfruchtbarkeit und die Futterproduktion in der Trockenzeit werden geschätzt. Die
durchschnittliche Wasserproduktivität bei Maiskörnerertrag beträgt 0.34, 0.42 bzw. 0.76 kg m-3
bei FP, MN bzw. MMR und bei Mucuna 1.34 kg m-3. FP bzw. MN zeigt einen negativen Trend
hinsichtlich des organischen Kohlenstoffs im Boden (SOC) und des Gesamtstickstoffgehalts
(TN) simuliert über 30 Jahre mit einer Abnahme von 17 bis 74 kg ha-1 Jahr-1 bzw. 6 bis 16 kg
ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz hierzu zeigt MMR einen positiven Trend sowohl bei SOC und TN in
den Wohlstandskategorien arm und durchschnittlich, während in der Kategorie wohlhabende
Farmer sich die Werte nicht verändern. SOC und TN nehmen 2.6 bis 194 kg ha-1 Jahr-1 und 6
bis 14 kg ha-1 Jahr-1 zu.
-1Der Roheiweiß-(CP)-Gehalt der Maiserntereste beträgt 29, 32 bzw. 82 g kg bei FP,
MN bzw. MMR. Der potentielle Beitrag zum täglichen Futterbedarf hinsichtlich Trockenmasse
(DM), CP und metabolisierbare Energie (ME) der Biomasse der Maiserntereste und von
Mucuna wird ebenfalls geschätzt. Die