Sustainable soil management in the semi-arid Caatinga of Brazil – how the application of soil amendments and grazing affect nutrient retention and soil organic carbon stocks

dc.contributor.advisorKaupenjohann, Martin
dc.contributor.advisorCierjacks, Arne Rüdiger
dc.contributor.authorBeusch, Christine Hildegard
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeKaupenjohann, Martin
dc.contributor.refereeCierjacks, Arne Rüdiger
dc.contributor.refereeKammann, Claudia
dc.contributor.refereeBürkert, Andreas
dc.date.accepted2022-07-14
dc.date.accessioned2022-08-10T07:58:03Z
dc.date.available2022-08-10T07:58:03Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractThe Caatinga is one of the largest seasonally dry tropical forests in the world. With an estimated area of 600 000 km2 to 900 000 km2 , it is located in the semi-arid north-east of Brazil. The climate is demanding with constant high temperatures, erratic rainfalls, and regular droughts, resulting in general water scarcity. Moreover, the soils in the Caatinga are usually only of low to medium fertility and often shallow and stony. The water-deficient conditions, paired with poor soils, are severely challenging agricultural practice in the region. As the backbone of agriculture, soils play a crucial role in food production. Therefore, the overall aim of this dissertation was to sustainably increase the fertility of Caatinga soils on a long-term basis to promote food security and livelihood of the local smallholders. Two important parameters that impact soil fertility were considered: nutrient retention and soil organic carbon (SOC). First of all, the effects of biochar and clay addition on the nutrient retention of an Arenosol were evaluated. Second, the influence of various factors on SOC stocks, in particular grazing, were studied. All research was conducted in the Itaparica region in the state of Pernambuco, Brazil. For the first thematic part, two locally available and inexpensive soil amendments were selected: a traditionally produced mid-temperature biochar made of the invasive tree species Prosopis juliflora (Sw.) DC and the clayey sediment of a temporarily dry lake. In a batch equilibrium experiment, the sorption of ammonium-N (NH 4+ -N), nitrate-N (NO3- -N), potassium (K+ ), and phosphate-P (PO43- -P) was quantified for substrate mixtures of an Arenosol with increasing shares of biochar and clay, respectively. In a corresponding field experiment using the same substrates, the leaching of NH4+ -N, NO3- -N, and K+ was quantified for two consecutive periods of eight months each by using self-integrating accumulators. Both experiments showed the same tendencies. Biochar addition induced marginal to medium retention of NO3- -N, medium retention for PO43- -P, and medium to strong retention of NH4+ -N. In the field experiment, the biochar showed medium retention of K+ , while it provoked strong K+ release in the batch equilibrium experiment. In contrast, clay addition resulted in the release of NO3- -N and medium to strong retention of NH4+ -N, K+ , and PO43- -P. Both soil amendments showed the potential to enhance the retention of nutrients and, thus, the fertility of an Arenosol. The nutrient retention capacity of the clay remained relatively stable for the 16 months of the field experiment, whereas the retention capacity of biochar significantly dropped for all nutrients by about half in the second observation period compared to the first. The reason was the comparatively low stability of this particular biochar, causing rapid decomposition under the given climatic conditions. Therefore, for future application, the long-term stability of biochar should be enhanced by higher pyrolysis temperatures. In the second thematic part of this dissertation, SOC stocks of Caatinga soils were quantified on 45 study plots for the upper 5 cm of the soil profile and greater soil depths down to bedrock. Along a gradient of light, medium, and heavy grazing intensity, the impact of grazing on SOC stocks was assessed. Additionally, the influence of clay content, distance to the nearest permanent water body, several vegetation parameters, depth to bedrock, and altitude on SOC stocks were analysed. The mean organic carbon content in the area was relatively low with 16.86 ± 1.28 Mg C ha −1 . Heavy grazing significantly reduced carbon stocks in the upper 5 cm of the soil profile but had no significant effect in greater soil depths. Clay content and altitude proved to be the most relevant factors influencing SOC stocks of the total soil profile and the stocks below the upper 5 cm. In summary, grazing has adverse effects on SOC stocks and, consequently, on the fertility of the soils in the Caatinga. In particular, high grazing intensities should be avoided, and animal stocking rates should be reduced and adapted to sustainable local carrying capacities. Conclusively, based on the outcomes of the conducted research, recommendations for agriculture and future research were made.en
dc.description.abstractDie Caatinga ist einer der größten tropischen Trockenwälder der Welt. Mit einer geschätzten Fläche von 600 000 km2 bis 900 000 km2 liegt sie im semiariden Nordosten Brasiliens. Das Klima ist herausfordernd mit konstant hohen Temperaturen, schwankenden Niederschlägen und regelmäßigen Dürren, was zu einer generellen Wasserknappheit führt. Zudem sind die Böden in der Caatinga meist nur von niedriger bis mittlerer Bodenfruchtbarkeit und oftmals flachgründig und steinig. Die Wasserknappheit ist, gepaart mit den schlechten Böden, eine Herausforderung für die landwirtschaftliche Praxis in der Region. Böden sind die Basis für die Produktion von Lebensmitteln. Deshalb war das übergeordnete Ziel dieser Dissertation, die Fruchtbarkeit von Caatingaböden nachhaltig und langfristig zu erhöhen, um zur Lebensmittelsicherheit und zum Lebensunterhalt der lokalen Kleinbauern beizutragen. Zwei wichtige Faktoren für Bodenfruchtbarkeit wurden näher betrachtet: die Retention von Nährstoffen und organischer Bodenkohlenstoff (Corg ). Zunächst wurden die Auswirkungen der Zugabe von Biokohle und Ton auf die Nährstoffretention eines Arenosols ausgewertet. Des Weiteren wurde der Einfluss verschiedener Faktoren, insbesondere der Beweidung, auf die Bodenkohlenstoffvorräte untersucht. Sämtliche Forschungsarbeiten wurden in der Itaparica-Region im Bundesstaat Pernambuco, Brasilien, durchgeführt. Für den ersten thematischen Teil wurden zwei lokal verfügbare und kostengünstige Bodenverbesserer ausgewählt: eine traditionell und bei mittlerer Temperatur hergestellte Biokohle, bestehend aus der invasiven Baumart Prosopis juliflora (Sw.) DC, und das tonige Sediment eines temporär trockengefallenen Sees. In einem Batchversuch wurden die Sorption von Ammonium-N (NH4+ -N), Nitrat-N (NO3- -N), Kalium (K+ ) und Phosphat-P (PO43- -P) ermittelt für Substratmischungen eines Arenosols mit zunehmenden Biokohle- beziehungsweise Tonanteilen. In einem dazugehörigen Feldversuch, bei dem die gleichen Substrate verwendet wurden, wurde die Auswaschung von NH4+ -N, NO3- -N und K+ mittels Selbst-Integrierender Akkumulatoren für zwei aufeinanderfolgende Zeiträume von jeweils acht Monaten bestimmt. Beide Experimente zeigten die gleichen Tendenzen. Die Zugabe von Biokohle verursachte eine geringe bis mittlere Retention von NO3- -N, mittlere Retention von PO43- -P und mittlere bis starke Retention von NH4+ -N. Im Feldversuch zeigte die Biokohle eine mittlere Retention von K+ , während sie im Batchversuch eine starke K+ -Freisetzung hervorgerufen hat. Die Tonzugabe resultierte dagegen in einer Freisetzung von NO3- -N und mittlerer bis starker Retention von NH4+ -N, K+ und PO43- -P. Beide Bodenverbesserer zeigten das Potential, die Nährstoffretention und somit die Fruchtbarkeit eines Arenosols zu erhöhen. Die Nährstoffretentionskapazität des Tons blieb über die 16 Monate des Feldversuchs relativ stabil, während die Retentionskapazität der Biokohle im zweiten Beobachtungszeitraum, verglichen mit dem ersten Zeitraum, signifikant um etwa die Hälfte für alle Nährstoffe gesunken ist. Die Ursache war die vergleichsweise geringe Stabilität dieser Biokohle, die den schnellen Abbau unter den gegebenen klimatischen Bedingungen verursacht hat. Aus diesem Grund sollte bei zukünftiger Applikation die Langzeitstabilität der Biokohle durch höhere Pyrolysetemperaturen gesteigert werden. Im zweiten thematischen Teil dieser Dissertation wurden auf 45 Untersuchungsflächen die Corg -Vorräte der oberen 5 cm des Bodenprofils und größerer Bodentiefen bis zum anstehenden Gestein ermittelt. Entlang eines Gradienten von leichter, mittlerer und starker Beweidungsintensität wurden die Auswirkungen von Beweidung auf die Corg -Vorräte untersucht. Der mittlere Corg -Gehalt in dem Gebiet war mit 16.86 ± 1.28 Mg C ha −1 relativ niedrig. Starke Beweidung hat die Corg -Vorräte in den oberen 5 cm des Bodenprofils signifikant reduziert, hatte jedoch keinen signifikanten Effekt in größeren Bodentiefen. Tongehalt und Höhenlage haben sich als die relevantesten Einflussfaktoren für die Corg -Vorräte im gesamten Bodenprofil sowie die Vorräte unterhalb der oberen 5 cm herausgestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Beweidung nachteilige Auswirkungen auf die Corg -Vorräte und damit auf die Fruchtbarkeit der Böden in der Caatinga hat. Insbesondere starke Beweidungsintensitäten sollten vermieden werden. Tierbesatzdichten sollten reduziert und an die lokale Tragfähigkeit des Ökosystems angepasst werden. Abschließend wurden auf Grundlage der durchgeführten Forschungsarbeiten Empfehlungen für die Landwirtschaft und für zukünftige Forschungsaktivitäten ausgesprochen.de
dc.description.abstractA Caatinga é uma das maiores florestas tropicais sazonalmente secas do mundo. Com uma área estimada de 600 000 km2 a 900 000 km2 , ela está localizada no Nordeste semiárido do Brasil. O clima é exigente com temperaturas elevadas constantes, chuvas erráticas e secas regulares, resultando em escassez geral de água. Além disso, os solos da Caatinga são geralmente de baixa a média fertilidade e muitas vezes pouco profundos e pedregosos. As condições de escassez de água, emparelhadas com solos pobres, são um grande desafio para a prática agrícola na região. Como a espinha dorsal da agricultura, os solos desempenham um papel crucial na produção de alimentos. Portanto, o objetivo geral desta dissertação era aumentar de forma sustentável a fertilidade dos solos de Caatinga a longo prazo para promover a segurança alimentar e a subsistência dos pequenos proprietários locais. Dois parâmetros importantes que impactam a fertilidade do solo foram considerados: retenção de nutrientes e carbono orgânico do solo (COS). Em primeiro lugar, foram avaliados os efeitos da adição de biocarvão e argila sobre a retenção de nutrientes de um Arenosol. Em segundo lugar, foi estudada a influência de vários fatores sobre os estoques de COS, em particular o pastoreio. Todas as pesquisas foram conduzidas na região de Itaparica, no estado de Pernambuco, Brasil. Para a primeira parte temática, duas emendas de solo disponíveis localmente e baratas foram selecionadas: um biocarvão de meia-temperatura produzido tradicionalmente com a espécie de árvore invasora Prosopis juliflora (Sw.) DC e o sedimento argiloso de um lago temporariamente seco. Em um ensaio de batelada, a sorção de amônio-N (NH4+ -N), nitrato-N (NO3- -N), potássio (K+ ) e fosfato-P (PO43- -P) foi quantificada para misturas de substrato de um Arenosol com partes crescentes de biocarvão e argila, respectivamente. Em um experimento de campo correspondente utilizando os mesmos substratos, a lixiviação de NH4+ -N, NO3- -N e K+ foi quantificada por dois períodos consecutivos de oito meses cada, utilizando acumuladores auto-integrantes. Os dois experimentos mostraram as mesmas tendências. A adição do biocarvão induziu retenção marginal a média de NO3- -N, retenção média para PO43- -P, e retenção média a forte de NH4+ -N. No experimento de campo, o biocarvão mostrou retenção média de K+ , enquanto que provocou forte liberação de K+ no experimento de equilíbrio de lote. Em contraste, a adição de argila resultou na liberação de NO3- -N e retenção média a forte de NH4+ -N, K+ , e PO43- -P. Ambas as emendas no solo mostraram o potencial de aumentar a retenção de nutrientes e, portanto, a fertilidade de um Arenosol. A capacidade de retenção de nutrientes da argila permaneceu relativamente estável durante os 16 meses da experiência de campo, enquanto a capacidade de retenção do biocarvão caiu significativamente para todos os nutrientes em cerca da metade no segundo período de observação em comparação com o primeiro. A razão foi a estabilidade comparativamente baixa deste biocarvão em particular, causando uma rápida decomposição sob as condições climáticas dadas. Portanto, para aplicação futura, a estabilidade a longo prazo do biocarvão deve ser reforçada por temperaturas de pirólise mais altas. Na segunda parte temática desta dissertação, os estoques de COS de solos de Caatinga foram quantificados em 45 parcelas de estudo para os 5 cm superiores do perfil do solo e maiores profundidades do solo até o leito rochoso. Ao longo de um gradiente de intensidade de pastagem leve, média e pesada, o impacto da pastagem sobre os estoques de COS foi avaliado. Além disso, foi analisada a influência do teor de argila, a distância até a massa de água permanente mais próxima, vários parâmetros de vegetação, profundidade até o leito rochoso e a altitude sobre os estoques de COS. O teor médio de carbono orgânico na área foi relativamente baixo com 16.86 ± 1.28 Mg C ha −1 . O pastoreio pesado reduziu significativamente os estoques de carbono nos 5 cm superiores do perfil do solo, mas não teve efeito significativo em maiores profundidades do solo. O conteúdo de argila e a altitude provaram ser os fatores mais relevantes influenciando os estoques de COS do perfil total do solo e os estoques abaixo dos 5 cm superiores. Em resumo, o pastoreio tem efeitos adversos sobre os estoques de COS e, consequentemente, sobre a fertilidade dos solos na Caatinga. Em particular, altas intensidades de pastagem devem ser evitadas, e as taxas de estocagem de animais devem ser reduzidas e adaptadas à capacidade de carga local sustentável. Concluindo, com base nos resultados da pesquisa realizada, foram feitas recomendações para a agricultura e pesquisas futuras.pt
dc.description.sponsorshipBMBF/01LL0904A-E/Interplay among multiple uses of water reservoirs via innovative coupling of substance cycles in aquatic and terrestrial ecosystemsen
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/17251
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-16030
dc.language.isoenen
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16242en
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16243en
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc550 Geowissenschaftende
dc.subject.otherbiocharen
dc.subject.otherclayen
dc.subject.othersoil amendmenten
dc.subject.othernutrient retentionen
dc.subject.othersoil organic carbon stocksen
dc.subject.otherBiokohlede
dc.subject.otherTonde
dc.subject.otherBodenverbessererde
dc.subject.otherNährstoffretentionde
dc.subject.otherorganische Bodenkohlenstoffvorrätede
dc.titleSustainable soil management in the semi-arid Caatinga of Brazil – how the application of soil amendments and grazing affect nutrient retention and soil organic carbon stocksen
dc.title.translatedNachhaltiges Bodenmanagement in der semiariden Caatinga Brasiliens – wie sich die Applikation von Bodenverbesserern und Beweidung auf die Nährstoffretention und die organischen Bodenkhohlenstoffvorräte auswirkende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbdomainen
tub.affiliationFak. 6 Planen Bauen Umwelt>Inst. Ökologie>FG Bodenkundede
tub.affiliation.facultyFak. 6 Planen Bauen Umweltde
tub.affiliation.groupFG Bodenkundede
tub.affiliation.instituteInst. Ökologiede
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