Improving soil properties with Acacia seyal agroforestry and biochar : implications for sorghum production on the drylands of South Sudan

Rainfed agriculture is a vital land use practice for food security and economic development in most of drylands, but particularly in sub-Saharan Africa (SSA). However, it is becoming an increasingly uncertain and inefficient practice in SSA because of climate change and extremes (i.e. low and erratic rainfall, high temperatures, floods, and drought occurrence), and low soil fertility and water supply. For example, yields of sorghum, which is the main staple food crop in South Sudan, are dwindling under rainfed cultivation in its main production areas in the north of the country due to the previously mentioned factors. Nevertheless, soil amendment materials, such as biochars, along with integration of sorghum production into agroforestry systems, which can improve soil fertility and water storage capacity, could assist in improving the crop yields. In this dissertation, the effects of Acacia seyal-based agroforestry and addition of biochar on soil water retention and supply and on sorghum yields were examined. The research focused on 1) the potential of using biochar as a soil amendment combined with A. seyal-based agroforestry in a field experiment, 2) the effect of biochar on alleviating water stress on sorghum yield in greenhouse conditions, and 3) simulation of the potential effect of biochar amendments on improving sorghum biomass and grain yield, especially as indicated by differences in yield between wet and dry years. The two-year agroforestry field experiment (Paper I) was carried out at Magara Village north of Renk in South Sudan, during the growing seasons of 2011 and 2012. The split block experiment included three A. seyal tree density treatments: no trees; scattered trees (100 trees ha-1) and dense trees (400 trees ha-1) and two biochar amendment treatments (0 t ha-1 and 10 t ha-1). The soil consisted of silty loam underlain by clay, and the biochar source was A. seyal trees. A soil analysis showed that agroforestry resulted in lower soil pH, N, and total and exchangeable Ca2+ contents and higher C/N ratios compared to sole sorghum cultivation. The application of biochar significantly increased the soil C and exchangeable K+ contents as well as the pedotransfer-derived field capacity and plant available water contents, but significantly decreased the content of exchangeable Ca2+ and cation exchange capacity. The inclusion of A. seyal trees significantly decreased the sorghum grain yields, and the effect of biochar on grain yield compared to sole sorghum cultivation without amendment was not significant. The Land Equivalent Ratio (LER, the sum of the fractions of the intercropped yields divided by the sole-crop yields) value was 0.3 for dense A. seyal intercropping combined with biochar in both 2011 and 2012 and with scattered A. seyal intercropping in 2011, but it was twofold greater (0.6) in 2012 with biochar amendment. The greenhouse experiment (Paper II) was carried out at the Viikki Campus, Helsinki, Finland, during May–December 2011. The main factor was drought stress with three levels of soil moisture content: 60% of field capacity (well-watered), 40% (medium drought) and 20% (severe drought). The same type A. seyal biochar, in the same amounts as applied in the field experiment (0 t ha-1 and 10 t ha-1), was used. Drought stress had a significant effect on sorghum gas exchange but not on sorghum stomatal traits. The stomatal conductance and photosynthesis and transpiration rates were all significantly reduced under severe drought compared to values found in plants that were under medium drought or well-watered. The photosynthetic water use efficiency (WUE) increased with the level of drought stress. Drought stress significantly reduced the sorghum biomass and grain yields compared to those observed in well-watered plants. Biochar addition did not have a significant effect on any of sorghum stomatal traits, gas exchange or grain yield. The biochar/sorghum simulation study (Paper III) was carried out using the water-driven crop-growth model AquaCrop (version 6.1). The model was parameterized for the field experiment site and soil conditions. Soil fertility stress parameters were adjusted so that simulated biomass and grain yield values best matched the levels recorded in the field experiment. Climate data for 2011 and 2012, both wet years, and for 1990, an extremely dry year, were extracted from the Climate Forecast System Reanalysis (CFRS) online dataset. The effects of biochar were simulated using the changes in soil hydraulic properties (increases in field capacity, available water capacity and saturated conductivity) reported in a published meta-analysis study. Generally, the simulated biochar amendments having the greatest effect on soil hydraulic properties increased the water content of the rooting depth in all three years, but an increase in sorghum production was only discernible for 1990. The results from paper I showed that sorghum yields are lowered when the crop is grown in agroforestry systems. As sorghum is not tolerant of shade, the reduction in sorghum production with increasing tree density was probably due to canopy cover and shading. This effect thus overrode any benefit of having the trees in the cultivation system. The results from paper II indicated that biochar has no significant effect on alleviating drought stress on sorghum production and grain yields, while the results from paper III showed biochar, while improving soil hydraulic properties, only resulted in increased sorghum biomass production and grain yield in very dry years. Overall, the results from this study showed that the propounded benefits of agroforestry and biochar need further study and critical assessment, particularly in semi-arid environments where the water supply through rainfall is low and erratic but the water demand is constantly high. The results may well vary with different crops and agroforestry systems, as well as with different soil types and the type and dose of biochar. Furthermore, the results may only become apparent with sufficient time and therefore long-term studies are needed.Kuivien trooppisten alueiden ruoantuotanto ja taloudellinen kehitys perustuvat sateenvaraiseen maatalouteen. Erityisesti tämä tilanne vallitsee Saharan eteläpuolisessa Afrikassa, missä tämä tuotantomuoto on kuitenkin muuttumassa yhä epävarmemmaksi ja tehottomammaksi. Syynä ovat ilmastolliset tekijät (esimerkiksi sademäärän vähäisyys ja sen jyrkkä vaihtelu, haitallisen korkeat lämpötilat sekä kuivuus ja tulvat), samoin kuin epäsuotuisat maaperän ravinne- ja kosteusolot. Durra on Etelä-Sudanin tärkein ravintokasvi, mutta sen sadot ovat vähentyneet näistä tekijöistä johtuen sen tärkeimmillä viljelyalueilla maan pohjoisosissa. Tämän vuoksi on tärkeää löytää keinoja satojen lisäämiseksi, ja huomio on kiinnitetty myös biohiileen ja peltometsäviljelyyn, joiden avulla maaperän viljavuutta ja vesitaloutta voidaan parantaa. Väitöskirjassa selvitettiin Acacia seyal –puulajiin perustuvan peltometsäviljelyn ja maahan lisätyn biohiilen vaikutuksia maaperän vedenpidätyskykyyn ja vesivarastoon sekä durran satoon. Tutkimus keskittyi seuraaviin kysymyksiin: 1) biohiilen mahdollisuudet peltometsäviljelyn maanparannuskeinona Etelä Sudanin Ylä-Niilin osavaltiossa Renkin alueella toteutetun kenttäkokeen antamien tulosten perusteella, 2) kasvihuonetutkimuksena tehty selvitys vedenpuutteen aiheuttamasta durran sadon alenemisesta ja sen estämisestä biohiilen avulla, 3) simuloitu maaperän biohiililisäyksen vaikutus durran biomassan ja sadon määrään, erityisesti runsas- ja vähäsateisten vuosien vertailun avulla. Kaksivuotinen peltometsäviljelyn kenttäkoe (Artikkeli I) toteutettiin Magran kylässä, Renkin kaupungin pohjoispuolella Etelä-Sudanissa, kasvukausien aikana 2011 ja 2012. Kokeeseen sisältyi kolme akasiapuiden tiheyttä (puuton ala, harva puusto 100 puuta ha-1, ja tiheä puusto 400 puuta ha-1) sekä kaksi biohiilitasoa (0 ja 10 t ha-1). Maalajina oli saven päälle kerrostunut siltti, biohiilen alkuperä oli Acacia seyal -puulaji. Maa-analyysi osoitti, että maaperässä pH, kokonaistyppi, sekä kalsiumin vaihtuva ja kokonaismäärä vähenivät mutta C/N-suhde kasvoi peltometsäviljelyssä verrattuna pelkän durran kasvustoon. Biohiili lisäsi maaperän kokonaishiilen ja vaihtuvan kalsiumin pitoisuutta samoin kuin veden kenttäkapasiteettia ja kasveille käyttökelpoisen veden määrää mutta vähensi vaihtuvan kalsiumin pitoisuutta ja kationinvaihtokapasiteettia. Durran sekaviljely akasioiden kanssa vähensi jyväsatoa, ja pelkän durran viljelyssä ei lisätyllä biohiilellä ollut vaikutusta sadon määrään. Maapinta-alan käytön tehokkuutta kuvaava LER (Land Equivalent Ratio)-indeksi eli sekaviljelyssä saadun durrasadon suhde puhtaan kasvuston antamaan satoon oli 0.3 sekaviljelyssä tiheän akasiapuuston ja biohiililisäyksen kanssa sekä v. 2011 että v. 2012 ja myös harvan akasiapuuston kanssa v. 2011, mutta kohosi kaksinkertaiseksi (0.6) tiheän puuston ja biohiilen kanssa v. 2012. Alle luvun 1.0 olevat arvot kuvastivat kuitenkin nyt havaittua puiden durran tuotosta vähentävää vaikutusta. Kasvihuonekoe (Artikkeli II) toteutettiin Helsingin yliopiston Viikin kampuksella touko- ja joulukuun välisenä aikana 2011. Tärkein tutkittu tekijä oli kuivuusstressi, jossa seuratut tasot olivat 60 %, 40 % ja 20 % veden kenttäkapasiteetista, vastaten runsasta vesimäärää, keskitason kuivuutta ja kovaa kuivuutta. Käytetty biohiili oli saman tyyppistä A. seyal –puulajista tuotettua kuin kenttäkokeessa, ja sen annetut määrät vastasivat tasoja 0 ja 10 t ha-1. Tulokset osoittivat, että kuivuudella oli selvä vaikutus durran kaasuaineenvaihduntaan mutta vaikutusta ei todettu durran ilmarakojen määrässä tai koossa. Ilmarakokonduktanssi sekä fotosynteesi- ja haihduntanopeus alenivat kovassa kuivuudessa verrattuna suuremman vesimäärän saaneista kasveista todettuihin vastaaviin arvoihin. Fotosynteesin vedenkäytön tehokkuus (WUE-arvo) kasvoi kuivuuden lisääntyessä. Kuivuusstressi, verrattuna runsaan kastelun saaneisiin kasveihin, vähensi durran biomassa- ja jyväsatoa. Biohiilellä ei ollut vaikutusta mihinkään tutkittuun tekijään durran ilmaraoissa, kaasuaineenvaihdunnassa tai jyväsadossa. Simulointi biohiilen vaikutuksesta durrasatoon (Artikkeli III) tehtiin AquaCrop (6.1) –satomallilla sovellettuna kenttäkokeen vuosien 2011 ja 2012 tilanteeseen. Maaperän viljavuus asetettiin vastaamaan kenttäkokeessa saatuja biomassa- ja satotuloksia. Kenttäkokeen paikan säähavainnot vuosille 2011 ja 2012, jotka molemmat olivat runsassateisia vuosia, sekä vuodelle 1990, joka oli poikkeuksellisen kuiva vuosi, koottiin verkosta saatavissa olevista Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) –tiedoista. Biohiilen vaikutukset simuloitiin maaperän hydraulisten ominaisuuksien vaihtelusta julkaistujen meta-analyysitietojen avulla. Yleisenä havaintona oli, että simuloitu biohiilen lisäys, jonka vaikutus oli suurin maan hydraulisiin ominaisuuksiin, lisäsi vesipitoisuutta durran juuristokerroksessa kaikkina kolmena vuotena, mutta durran sadon lisäys voitiin todeta vain vuonna 1990. Tämän tutkimuksen yhteinen tulos oli, että peltometsäviljely vähentää durran satoa. Koska durra on runsasta valoa vaativa kasvi, syynä tähän on todennäköisesti ollut puiden aiheuttama varjostus. Tämä vaikutus peitti siten puiden mahdolliset antamat edut sadon muodostuksessa. Tulokset viittaavat myös siihen, että biohiili ei lieventäisi kuivuuden aiheuttamaa alenemista durran tuotoksessa ja jyväsadossa (Artikkeli II), mutta toisaalta biohiililisäys, joka parantaa maaperän hydraulisia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia, voi johtaa durran sadon paranemiseen vähäsateisina vuosina (Artikkeli III). Tutkimus osoittaa, että peltometsäviljelyn ja biohiilen yhteisvaikutus vaatii jatkotutkimuksia ja kriittistä tulosten arviointia, erityisesti sellaisilla kuivilla alueilla, joilla sademäärä on alhainen ja epäsäännöllinen mutta veden tarve kasvinviljelyssä on jatkuvasti suuri. Tuloksiin vaikuttavat epäilemättä käytetyt satokasvit ja tuotantosysteemit, samoin kuin maaperä ja käytetyn biohiilen määrä ja laatu. Koska luotettavien tulosten saamiseksi tarvitaan aikaa, pitkäkestoiset tutkimukset ovat tarpeen