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Title: Agricultural practices and horizontal nutrient balances in urban gardens and the alternative use of urban agricultural land in Khartoum, Sudan
Authors: Abdalla, Sahar Babiker Ahmed
???metadata.dc.subject.swd???: KhartumStadtnahe LandwirtschaftStädtische Landwirtschaft
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 16-Feb-2012
Abstract: The surge in the urban population evident in most developing countries is a worldwide phenomenon, and often the result of drought, conflicts, poverty and the lack of education opportunities. In parallel with the growth of the cities is the growing need for food which leads to the burgeoning expansion of urban and peri-urban agriculture (UPA). In this context, urban agriculture (UA) contributes significantly to supplying local markets with both vegetable and animal produce. As an income generating activity, UA also contributes to the livelihoods of poor urban dwellers. In order to evaluate the nutrient status of urban soils in relation to garden management, this study assessed nutrient fluxes (inputs and outputs) in gardens on urban Gerif soils on the banks of the River Nile in Khartoum, the capital city of Sudan. To achieve this objective, a preliminary baseline survey was carried out to describe the structure of the existing garden systems. In cooperation with the author of another PhD thesis (Ms. Ishtiag Abdalla), alternative uses of cow dung in brick making kilns in urban Khartoum were assessed; and the socio-economic criteria of the brick kiln owners or agents, economical and plant nutritional value of animal dung and the gaseous emission related to brick making activities were assessed. A total of 40 household heads were interviewed using a semi-structured questionnaire to collect information on demographic, socio-economic and migratory characteristics of the household members, the gardening systems used and the problems encountered in urban gardening. Based on the results of this survey, gardens were divided into three groups: mixed vegetable-fodder gardens, mixed vegetable-subsistence livestock gardens and pure vegetable gardens. The results revealed that UA is the exclusive domain of men, 80% of them non-native to Khartoum. The harvested produce in all gardens was market oriented and represented the main source of income for 83% of the gardeners. Fast growing leafy vegetables such as Jew’s mallow (Corchorous olitorius L.), purslane (Portulaca oleracea L.) and rocket (Eruca sativa Mill.) were the dominant cultivated species. Most of the gardens (95%) were continuously cultivated throughout the year without any fallow period, unless they were flooded. Gardeners were not generally aware of the importance of crop diversity, which may help them overcome the strongly fluctuating market prices for their produce and thereby strengthen the contributions of UA to the overall productivity of the city. To measure nutrient fluxes, four gardens were selected and their nutrients inputs and outputs flows were monitored. In each garden, all plots were monitored for quantification of nutrient inputs and outputs. To determine soil chemical fertility parameters in each of the studied gardens, soil samples were taken from three selected plots at the beginning of the study in October 2007 (gardens L1, L2 and H1) and in April 2008 (garden H2) and at the end of the study period in March 2010. Additional soil sampling occurred in May 2009 to assess changes in the soil nutrient status after the River Nile flood of 2008 had receded. Samples of rain and irrigation water (river and well-water) were analyzed for nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and carbon (C) content to determine their nutrient inputs. Catchment traps were installed to quantify the sediment yield from the River Nile flood. To quantify the nutrient inputs of sediments, samples were analyzed for N, P, K and organic carbon (Corg) content, cation exchange capacity (CEC) and the particle size distribution. The total nutrient inputs were calculated by multiplying the sediment nutrient content by total sediment deposits on individual gardens. Nutrient output in the form of harvested yield was quantified at harvest of each crop. Plant samples from each field were dried, and analyzed for their N, P, K and Corg content. Cumulative leaching losses of mineral N and P were estimated in a single plot in garden L1 from December 1st 2008 to July 1st 2009 using 12 ion exchange resins cartridges. Nutrients were extracted and analyzed for nitrate (NO3--N), ammonium (NH4+-N) and phosphate PO4-3-P. Changes in soil nutrient balance were assessed as inputs minus outputs. The results showed that across gardens, soil N and P concentrations increased from 2007 to 2009, while particle size distribution remained unchanged. Sediment loads and their respective contents of N, P and Corg decreased significantly (P < 0.05) from the gardens of the downstream lowlands (L1 and L2) to the gardens of the upstream highlands (H1 and H2). No significant difference was found in K deposits. None of the gardens received organic fertilizers and the only mineral fertilizer applied was urea (46-0-0). This equaled 29, 30, 54, and 67% of total N inputs to gardens L1, L2, H1, and H2, respectively. Sediment deposits of the River Nile floods contributed on average 67, 94, 6 and 42% to the total N, P, K and C inputs in lowland gardens and 33, 86, 4 and 37% of total N, P, K and C inputs in highland gardens. Irrigation water and rainfall contributed substantially to K inputs representing 96, 92, 94 and 96% of total K influxes in garden L1, L2, H1 and H2, respectively. Following the same order, total annual DM yields in the gardens were 26, 18, 16 and 1.8 t ha-1. Annual leaching losses were estimated to be 0.02 kg NH4+-N ha-1 (SE = 0.004), 0.03 kg NO3--N ha-1 (SE = 0.002) and 0.005 kg PO4-3-P ha-1 (SE = 0.0007). Differences between nutrient inputs and outputs indicated negative nutrient balances for P and K and positive balances of N and C for all gardens. The negative balances in P and K call for adoptions of new agricultural techniques such as regular manure additions or mulching which may enhance the soil organic matter status. A quantification of fluxes not measured in our study such as N2-fixation, dry deposition and gaseous emissions of C and N would be necessary to comprehensively assess the sustainability of these intensive gardening systems. The second part of the survey dealt with the brick making kilns. A total of 50 brick kiln owners/or agents were interviewed from July to August 2009, using a semi-structured questionnaire. The data collected included general information such as age, family size, education, land ownership, number of kilns managed and/or owned, number of months that kilns were in operation, quantity of inputs (cow dung and fuel wood) used, prices of inputs and products across the production season. Information related to the share value of the land on which the kilns were built and annual income for urban farmers and annual returns from dung for the animal raisers was also collected. Using descriptive statistics, budget calculation and Gini coefficient, the results indicated that renting the land to brick making kilns yields a 5-fold higher return than the rent for agriculture. Gini coefficient showed that the kiln owners had a more equal income distribution compared to farmers. To estimate emission of greenhouse gases (GHGs) and losses of N, P, K, Corg and DM from cow dung when used in brick making, samples of cow dung (loose and compacted) were collected from different kilns and analyzed for their N, P, K and Corg content. The procedure modified by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 1994) was used to estimate the gaseous emissions of cow dung and fuel wood. The amount of deforested wood was estimated according to the default values for wood density given by Dixon et al. (1991) and the expansion ratio for branches and small trees given by Brown et al. (1989). The data showed the monetary value of added N and P from cow dung was lower than for mineral fertilizers. Annual consumption of compacted dung (381 t DM) as biomass fuel by far exceeded the consumption of fuel wood (36 t DM). Gaseous emissions from cow dung and fuel wood were dominated by CO2, CO and CH4. Considering that Gerif land in urban Khartoum supports a multifunctional land use system, efficient use of natural resources (forest, dung, land and water) will enhance the sustainability of the UA and brick making activities. Adoption of new kilns with higher energy efficiency will reduce the amount of biomass fuels (cow dung and wood) used the amount of GHGs emitted and the threat to the few remaining forests.Der Bevölkerungsanstieg in Städten von Entwicklungsländern ist ein globales Phänomen und wird durch Trockenheit, kriegerische Auseinandersetzungen, Armut und Mangel an Ausbildungsmöglichkeiten beeinflusst. Mit dem Wachstum der Städte steigt gleichzeitig auch der Bedarf an Nahrungsmitteln, was zu einer Ausbreitung städtischer und stadtnaher Landwirtschaft (Englisch: UPA) führt. In diesem Zusammenhang trägt städtische Landwirtschaft (Englisch: UA) maßgeblich zur Versorgung der örtlichen Märkte mit Gemüse und tierischen Produkten bei. Die Erlöse aus UA dienen damit vor allem als Lebensgrundlage ärmerer, städtischer Bewohner. Um die Nährstoffbedingungen von städtischen Böden in Bezug zu deren Bewirtschaftung zu beurteilen, wurden Nährstoffflüsse (Ein- und Austräge) in Gärten der städtischen Gerif-Böden entlang des Nils in Khartoum, der Hauptstadt Sudans untersucht. Um diesem Ziel gerecht zu werden, wurde eine Voruntersuchung zur Struktur der vorhandenen Anbausysteme durchgeführt. In Zusammenarbeit mit einer anderen Doktorandin (Frau Ishtiag Abdalla), wurden alternative Nutzungen von Kuhdung in der Backsteinproduktion bewertet; ebenso wurden sozio-ökonomische Kriterien der Brennofenbesitzer und -betreiber, der ökonomische und pflanzlich-nährstoffliche Wert von Tierdung und auch Gasemissionen aus der Backsteinproduktion beurteilt. Insgesamt wurden 40 Haushalte mit Hilfe eines halbstandardisierten Fragebogens befragt, um Informationen zur Demografie, Sozioökonomie, zu Migrationshintergründen der Familienmitglieder, den Gartenanbauformen und den Hürden und Problemen der städtischen Landwirtschaft zu sammeln. Aufgrund dieser Informationen konnten die Gärten in drei Gruppen eingeteilt werden: gemischte Gemüse-/Futterpflanzengärten, gemischte Gemüse-/Eigenversorgungsgärten mit Viehbestand und die eigentlichen Gemüsegärten. Die Ergebnisse zeigten, dass UA vor allem durch Männer dominiert wird, wobei 80% von ihnen nicht aus Khartoum stammten. Dreiunddreißig Prozent aller Haushalte bauten Futterpflanzen an und fünf Prozent hielten Schafe und Ziegen. Die meisten Gärtner (80%) pachteten das Land, das sie bewirtschafteten. Die geernteten Produkte waren alle für den Markt bestimmt und waren für 83% der Gärtner die Haupteinkommensquelle. Schnellwachsende Gemüsearten wie Corchorus (Corchorous olitorius L.), Portulak (Portulaca oleracea L.) und Rettich (Eruca sativa Mill.) wurden am häufigsten angebaut. Das Bewässerungswasser stammte aus dem Nil und aus Grundwasserbrunnen. Die meisten der Gärten (95%) wurden ohne Brache das gesamte Jahr hindurch bewirtschaftet außer während der Überflutung durch den Nil. Den meisten UA-Gärtnern war die Wichtigkeit von Feldfruchtvielfalt nicht bewusst. Feldfruchtdiversität kann ihnen jedoch helfen, mit stark fluktuierenden Marktpreisen zurecht zu kommen und zur Stärkung der Gesamt-UA-Produktivität der Stadt beizutragen. Um Stoffflüsse zu messen, wurden in vier ausgewählte Gärten sämtliche Ein- und Austräge erfasst. Die Menge der Nährstoffzugaben und -entnahmen, Informationen zum Saat- und Erntezeitpunkt wie auch die Bewässerungspraktiken aller Beete und Gärten wurden notiert. Zur Bestimmung der Bodenfruchtbarkeit wurden pro Garten in drei ausgewählten Beeten Bodenproben im Oktober 2007 (Gärten: L1, L2 und H1), im April 2008 (Garten H2) und Ende März 2010 entnommen. Um die Änderung der Bodennährstoffsituation nach der Flut im August 2008 zu erfassen, erfolgte eine erneute Beprobung im Mai 2009. Proben von Regen- und Bewässerungswasser (Fluss und Brunnen) wurden auf Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K), Kohlenstoff (C) und Kationen-Austausch-Kapazität (KAK) untersucht. Um die Einträge durch Flusssedimentationen zu ermitteln, wurden Sedimentfallen installiert und anschließend auf N, P, K, organischen Kohlenstoff (Corg), KAK und die Korngrößenverteilung untersucht. Die Gesamtnährstoffeinträge wurden berechnet, indem der Sedimentnährstoffgehalt mit den Gesamtsedimentablagerungen der jeweiligen Gärten multipliziert wurde. Der Nährstoffaustrag bei der Ernte wurde zu jedem Erntezeitpunkt bestimmt. Von jedem Feld wurde Pflanzenmaterial getrocknet und auf N-, P-, K- und Corg-Gehalt untersucht. Die kumulativen Auswaschungsverluste von mineralischem N und P wurden in einem einzelnen Beet des Gartens L1 vom ersten Dezember 2008 bis zum ersten Juli 2009 mit Hilfe von ionenaustauschenden Harzkartuschen bestimmt. Dazu wurden die Harze mehrmals gewaschen und das Eluviat auf Nitrat (NO3--N), Ammoniak (NH4+-N) und Phosphat (PO4-3-P) analysiert. Änderungen der Bodennährstoffbilanzen wurden errechnet, indem der Austrag vom Eintrag subtrahiert wurde. Es zeigte sich, dass die N- und P-Konzentrationen von 2007 auf 2009 anstiegen, wohingegen die Korngrößenverteilung unverändert blieb. Die Sedimentfracht und der zugehörige Nährstoffgehalt von N, P, Corg nahmen signifikant (P < 0.05) von den flussabwärts und tiefer gelegenen Gärten (L1 und L2) hin zu den flussaufwärts und höher gelegenen Gärten (H1 und H2) ab. Die K-Einträge waren nicht signifikant unterschiedlich. Keiner der Gärten erhielt organischen Dünger und der einzig verwendete mineralische Dünger war Harnstoff (46-0-0). Dieser entsprach 29, 30, 54, und 67% des Gesamt-N-Eintrags in die Gärten L1, L2, H1, bzw. H2. Der ermittelte Anteil von N, P, K und C aus der Sedimentfracht der Fluten betrug 67, 94, 6 und 42% in den niedrig gelegenen Gärten und 33, 86, 4 und 37% in den höher gelegenen Gärten. Bewässerungs- und Regenwasser trugen wesentlich zum K-Eintrag mit 96, 92, 94 und 96% des Gesamt-K-Gehaltes von Garten L1, L2, H1 und H2 bei. In gleicher Reihenfolge betrug die Gesamtrockenbiomasse 26, 18, 16 bzw. 1,8 t ha-1. Die jährlichen Nährstoffverluste wurden auf 0,02 kg NH4+-N ha-1 (SE = 0,004), 0,03 kg NO3--N ha-1 (SE = 0,002) und 0,005 kg PO4-3-P ha-1 (SE = 0,0007) geschätzt. Die ermittelten Unterschiede zwischen Nährstoffzufuhr und -verlust weisen auf negative P- und K- und auf positive N- und C-Bilanzen in allen Gärten hin. Dies wiederum macht die Notwendigkeit geeigneter landwirtschaftlicher Maßnahmen wie z. B. regelmäßigere Düngung oder Mulchen deutlich. Nicht in dieser Studie angewendete Quantifizierungsmethoden von Nährstoffflüssen, wie N2-Fixierung, Trockendeposition und Gasemissionen von C und N sind notwendig, um die Nachhaltigkeit dieser intensiven Gartensysteme besser zu verstehen. Der zweite Teil der Studie beschäftigte sich mit Brennöfen zur Backsteinherstellung. Insgesamt wurden 50 Besitzer oder Betreiber von Backsteinbrennöfen zwischen Juli und August 2009 mit Hilfe eines halbstandardisierten Interviews befragt. Die ermittelten Daten beinhalten saisonale Informationen zu den im Jahresverlauf schwankenden Preisen, Alter, Familiengröße, Ausbildung, Landbesitz, Anzahl und Besitz der betriebenen Brennöfen, Dauer der Betriebsstunden, der Einsatzmenge von Kuhdung und Brennholz und Preisen der Ausgangsstoffe und Endprodukte. Hinzu kamen Daten zum Einkommen und zur Kostenregulation zwischen Bauern, Grundstückseigentümern und Tierzüchtern. Über deskriptive Statistik, Finanzkalkulationen und den Gini-Koeffizient wurde herausgefunden, dass gepachtetes Land, welches für die Backsteinproduktion benötigt wurde, einen fünffach höheren Erlös erbrachte, als landwirtschaftlich genutzte Flächen. Der Gini-Koeffizient wies außerdem darauf hin, dass Brennofenbesitzer im Vergleich zu Bauern eine bessere Einkommenssituation hatten. Um die Treibhausgas (Englisch: GHG) Emissionen und Verluste von N, P, K, Corg und die Trockenbiomasse des Kuhdungs zu erfassen, wurden Kuhdungproben (locker und kompakt) von verschiedenen Brennöfen gesammelt und auf ihren N-, P-, K- und Corg-Gehalt untersucht. Dazu wurde ein modifiziertes Verfahren des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 1994) verwendet, welches zur Abschätzung der Gasemissionen von Kuhdung und Brennholz dient. Die Menge des geschlagenen Holzes wurde gemäß dem Standardwertes für die Holzdichten (Dixon et al., 1991) und dem Ausdehnungsverhältnis für Äste und kleine Bäume geschätzt (Brown et al., 1989). Es ergab sich, dass der monetäre Wert der Mengen an N- und P-Kuhdung etwas geringer ist als der für Mineraldünger. Der Jahresverbrauch von Trockendung (381 t) als Biomassebrennstoff übersteigt den Verbrauch von Brennholz bei weitem. Unter Zuhilfenahme von IPCC Standardwerten waren die GHG-Emissionswerte des Kuhdungs viel höher, als die des Brennholzes. Die Hauptemissionsgase des Kuhdungs und Brennholzes waren CO2, CO und CH4. Da das Gerif-Land ein multifunktionales Landnutzungssytem beherbergt, kann eine effiziente Nutzung natürlicher Ressourcen (Wald, Dung, Land und Wasser) die Nachhaltigkeit der UA und Backsteinproduktion fördern. Das Einsetzen neuer Backsteinöfen mit verbesserter Energieeffizienz würde die Menge an Biomassebrennstoffen (Tierdung und Holz) als auch GHG-Emissionen und die Gefahr der Abholzung der wenigen verbliebenen Wälder reduzieren.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2012021640649
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