Soil erosion modeling and soil quality evaluation for catchment management strategies in northern Ethiopia [Elektronische Ressource] / Gebreyesus Brhane Tesfahunegn. Landwirtschaftliche Fakultät

Gebreyesus Brhane Tesfahunegn

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• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Zentrum für Entwicklungsforschung (ZEFc)
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Soil erosion modeling and soil quality evaluation for catchment
management strategies in northern Ethiopia



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



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



vorgelegt am 03.08.2011

von
Gebreyesus Brhane Tesfahunegn
aus
AKSUM, ÄTHIOPIEN













Gedruckt mit Unterstützung des Deutschen Akademischen
Austauschdienstes (DAAD)






















1. Referent: Prof. Dr. Paul L.G. Vlek

2. Referent: Prof. Dr. Armin Skowronek

Tag der Promotion: 05.10.2011

Erscheinungsjahr: 2011

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


About 85% of the Ethiopian population is engaged primarily in agriculture. However, changing
environmental factors have led to soil quality (SQ) degradation that poses a critical risk for food
security. But, despite some alarming figures, there is no consistent information on the rate and
extent of soil degradation in the country. This is due to the fact that the results of research on
SQ degradation are more generalized to the country with its different environments and also
based on empirical models or on runoff plot studies. It is problematic to extrapolate results from
such case studies to other areas, and the resulting reports are thus inadequate to guide policy
action on a large scale. Appropriate approaches that address such research gaps are thus needed
for the country.
This study employs a participatory survey and scientific soil measurements, geo-
statistics and erosion modeling to concurrently evaluate SQ degradation that can facilitate
development of appropriate management strategies for the Mai-Negus catchment conditions in
the northern Ethiopian highlands. A participatory SQ survey and group discussions with local
farmers were conducted to identify SQ diagnosis indicators as well as the severity and
determinants of SQ degradation. Soil samples were collected for analysis from the different SQ
categories, land-use and soil management systems and erosion-status sites identified in the
catchment. Data were subjected to statistical analysis. A soil erosion model (Soil and Water
Assessment Tool; SWAT) interfaced in a GIS environment was evaluated and then applied to
identify and prioritize erosion-hotspot sub-catchments. Finally, potential management strategies
(scenarios) were simulated targeting prioritized areas to identify scenarios that can better reduce
soil degradation caused by erosion.
The results of this study show that farmers used indicators such as crop yield, soil
depth, soil color, soil erosion risk, sedimentation, for categorizing the catchment soils into high,
medium and low SQ status (categories). The scientifically measured soil attributes were
significantly different (P ≤ 0.05) among these SQ categories. Using the soil attributes (cation
exchange capacity, porosity, sand, total phosphorus, and Ca:Mg) retained in four component
factors that explain about 88% of the SQ variability, discriminant analysis correctly classified
the soils in the different SQ categories. Such SQ variability shows that farmer evaluation of SQ
agrees well with the measured soil attributes. The maps of the interpolated soil properties show
a well-defined trend of higher contents of fine soil particles and soil nutrients in the toe-slope
and foot-slope areas in the catchment and those with better vegetation cover and soil
management practices. The results of the soil erosion model show that > 45% of the catchment
-1 -1area has experienced soil losses through erosion of over 30 t ha y , which is higher than the
-1 -1soil loss tolerance for Ethiopia (18 t ha y ). About 91% of the catchment experienced a soil
-1 -1 -1 -1erosion rate over 15 t ha y , which is higher than the average African soil loss (10 t ha y ).
Land management scenarios that involve land-use redesign, terracing, grassed
waterways and gully stabilization structures can reduce runoff, sediment yield and nutrient
losses by up to 75% at catchment level and up to 90% in the hotspot sub-catchments (soil loss
-1 -1over 18 t ha y ) as compared to the baseline scenario. Generally, the results of this study
confirm that the use of farmers` knowledge to evaluate SQ status and prioritize areas for
implementing management intervention is useful as it is rapid, less expensive, has high
reproducibility and is reasonably accurate as compared to scientific soil measurements and
erosion modeling. This can thus support informed decision-making about SQ degradation in
areas where professional experts and resources are limited, and where extrapolation of measured
soil data is difficult. However, further research on catchments with contrasting environment is
necessary to account for the heterogeneity of farmer knowledge of SQ degradation on a regional
and national scale.

Modellierung von Bodenerosion und Bewertung von Bodenqualität für
Managementstrategien in NordÄthiopien


KURZFASSUNG

Etwa 85% der äthiopischen Bevölkerung ist primär in der Landwirtschaft beschäftigt.
Veränderte Umweltfaktoren haben jedoch zu einer Verschechterung der Bodenqualität (soil
quality; SQ) geführt, die große Risiken für die Nahrungssicherheit darstellt. Aber trotz
alarmierenden Zahlen gibt es kaum konsistente Information über Geschwindigkeit und Ausmaß
der Bodendegradation im Lande. Dies liegt daran, dass die Forschungsergebnisse für das
gesamte Land mit seinen verschiedenen Umweltbereichen generalisiert werden und auf
empirischen Modellen oder Studien über Abflussflächen basieren. Es ist problematisch, die
Ergebnisse solcher Fallstudien auf andere Gebiete zu übertragen; die Berichte sind daher als
Grundlage für entsprechende Maßnahmen im großen Maßstab ungeeignet. Geeignete Ansätze,
die solche Forschungslücken schließen könnten, sind daher notwendig.
In dieser Studie wurden partizipative Erhebung, wissenschaftliche
Bodenuntersuchungen, Geostatistik, und Erosionsmodellierung eingesetzt, um die SQ-
Degradation zu bewerten und damit die Entwicklung sinnvoller Managementstrategien für die
Bedingungen im Mai-Negus Wassereinzugsgebiet im nördlichen Hochland Äthiopiens zu
erleichtern. Eine partizipative SQ-Erhebung und Gruppendiskussionen mit örtlichen Farmern
wurden durchgeführt, um Indikatoren für eine SQ-Diagnose sowie Ausmaß und
Bestimmungsgrößen der SQ-Degradation zu bestimmen. Im Einzugsgebiet wurden zur Analyse
Bodenproben aus den verschiedenen SQ-Kategorien, Landnutzung- bzw.
Bodenbewirtschaftungssysteme und Bereichen mit unterschiedlichem Erosionsstatus
genommen. Die Daten wurden einer statistischen Analyse unterzogen. Ein Boden-
Erosionsmodell (Boden und Wasser Bewertungsinstrument; SWAT) innerhalb einer GIS-
Umgebung wurde bewertet und anschließend eingesetzt, um die besonders stark von Erosion
betroffenen Bereiche (hotspots) zu ermitteln und priorisieren. Schließlich wurden potentielle
Managementstrategien (Szenarien) zielgerichtet auf die priorisierten Bereiche simuliert, um
Szenarien zu ermitteln, die am besten erosionsbedingte Bodendegradation reduzieren können.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Farmer Ertrag, Bodentiefe, Bodenfarbe,
Erosionsrisiko und Bodenablagerungen als Indikatoren verwendeten, um die Böden in die
Kategorien hohe, mittlere bzw. niedrige SQ einzuteilen. Die wissenschaftlich gemessenen
Bodenattribute waren signifikant unterschiedlich (P ≤ 0.05) zwischen diesen SQ-Kategorien.
Die Bodenattribute (Kationenaustauschkapazität, Durchlässigkeit, Sandgehalt, Gesamtphosphor
und Ca:Mg), die in vier Komponentenfaktoren verblieben, die circa 88% der SQ-Variabilität
erklärten, wurden in der Diskriminanzanalyse verwendet und klassifizierten die Böden korrekt
in die verschiedenen SQ-Kategorien. Eine solche SQ-Variabilität zeigt, dass die SQ-Bewertung
der Farmer mit den gemessenen Bodenattributen gut übereinstimmt. Die Bodenkarten weisen
einen klaren Trend mit feinkörnigeren Böden in den Hangfußbereichen sowie in den Bereichen
mit höheren Vegetationsbedeckungsgraden und mit besseren Bewirtschaftungsmethoden auf.
Die Ergebnisse des Erosionsmodels zeigen, dass > 45% des Gebiets erosionsbedingte
-1 -1Bodenverluste von über 30 t ha y erfahren hat, ein Wert höher als die Bodenverlusttoleranz
-1 -1für Äthiopien (18 t ha y ). Ungefähr 91% des Gebietes leidet unter Bodenverlusten von über
-1 -1 -1 -115 t ha y , höher als der afrikanische Durchschnitt von 10 t ha y