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Doctoral Thesis
2017

Mitigate habitat degradation in the semiarid Brazil : potential and limitation of the endemic tree Spondias tuberosa Arruda

Mertens, Jan Heiko
  Diss_DV_JMertens.pdf  (11.41 MB)

Abstract (English)

Semiarid regions cover 15 % of the global land mass and are inhabited by approximately one billion people. Due to the strong rural character of these regions the well-being of 13 % of the world’s population relying directly or indirectly on their ecosystem services. One of the most densely populated semiarid region is the Caatinga biome, that is located in the Brazilian Northeast. Its climate is hot semiarid (BSh) with little, erratic, and seasonal precipitation, ranging from 250 to 900 mm per year. The average annual temperatures range from 23°C to 27°C. An evapotranspiration above 2000 mm per year results in a negative water balance during 7 to 11 months. The deciduous natural Caatinga vegetation ranges from tropical dry forest to open shrubby vegetation, with a seasonal herbaceous layer. Loss of its natural vegetation due to wood extraction, pasturing, and inappropriate land-use led to habitat degradation in up to 80 % of the area of the Caatinga biome. A degraded habitat jeopardizes the ecosystem services of the biome and poses a direct threat to its dwellers. In order to mitigate further habitat degradation an alternative land-use strategy is necessary to substitute or cut back prevailing land-use. The agro-industrial utilization of the fructiferous multipurpose tree Spondias tuberosa Arruda (Anacardiaceae), endemic to the Caatinga, has the potential to be a viable alternative to current irrigation farming and extensive animal husbandry. The current utilization of S. tuberosa is limited to extractivism of its fruits that lacks sustainability and appears to be a finite resource. The natural population of S. tuberosa presents a weakening natural regeneration with a resultant over aged S. tuberosa population. Poor natural regeneration results from a multifactorial problem. At this juncture, S. tuberosa is not considered endangered based on the criteria of the International Union for Conservation of Nature, due to lacking information for a Red List of Threatened Species threat assessment. However, the combination of expected changing environmental conditions within the Caatinga and restricted natural regeneration of S. tuberosa, both discussed in literature, provides a strong evidence, that the S. tuberosa faces a high risk to become extinct. This work aims to provide a first basis for a scientifically-backed, extensive cropping system for S. tuberosa on disturbed Caatinga sites meliorated by the use of biochar, clay substrate, and goat manure. The effect of biochar, clay substrate, and goat manure with or without additional mineral fertilization as soil conditioner in planting holes were tested in a 23-months field experiment in a marginal Arenosol. Further, it was studied, whether changed soil physical conditions support establishment and development of one-year-old S. tuberosa seedlings. At given application rates neither biochar nor clay substrate significantly affected soil physical parameters of the experimental soil. The application rate of 10 % v/v clay substrate, chosen from literature, seems to be too little to be affective on the experimental Arenosol, that was poor in fine particles (< 0.02 mm). The utilized biochar were proven hydrophobic and presumingly little porous duo to a low pyrolysis temperature. Both combined could explain the absence of a significant biochar&#8209;mediated change of soil physical parameters. Goat manure significantly increased total porosity, and significantly reduced soil bulk density. The water content at permanent wilting point, and volumetric water content within the planting holes during the experiment were significantly increased owing to melioration with goat manure. Due to a strong correlation (R2 = 0.75) of water content at field capacity and water content at permanent wilting point, the available water capacity, an important target parameter for plant production, remained unchanged. Neither stem growth nor seedling survival was significantly affected by initial nutrient supplies or melioration. Conversely, fine root growth and root tuber growth were significantly affected by melioration. Goat manure in the planting holes led to significantly reduced fine root dry matter. Since fine root dry matter showed a weak but significant negative correlation with soil water content, the fine root reduction was evidently caused by increased soil water content resulting from goat manure application. The goat manure application also affected tuber growth significantly, and led to larger tubers. In contrast to the fine roots, root tuber growth did not respond to soil water content but showed a significant correlation with soil bulk density and total porosity. Reduced soil bulk density and increased soil porosity after goat manure addition application led to higher tuber volume.

Abstract (German)

Semiaride Regionen bedecken rund 15% der Erdoberfläche und werden von ca. einer Milliarde Menschen bewohnt. Aufgrund des starken landwirtschaftlichen Charakters dieser Regionen ist das Wohlergehen von etwa 13% der Weltbevölkerung direkt oder indirekt von ihren Ökosystemdienstleistungen abhängig. Einer der am dichtesten besiedelten semiariden Regionen ist das Caatinga Biom, welches sich im Nordosten Brasiliens befindet. Das Klima der Caatinga ist heiß semiarid mit geringem, unbeständigem, saisonalem Niederschlag, zwischen 250 und 900 mm pro Jahr. Die Jahresmitteltemperatur reicht von 23°C – 27°C und die jährliche Evapotranspiration ist mit über 2000 mm hoch. Daraus resultiert eine negative Wasserbilanz während 7 – 11 Monaten in der Caatinga. Die natürliche, sommergrüne Vegetation der Caatinga reicht von einer offenen Buschlandschaft bis zu einem tropischen Trockenwald mit einer saisonalen Krautschicht. Der Verlust der natürlichen Vegetation führt bis heute zu einem gestörten natürlichen Lebensraum auf 80 % der Fläche der Caatinga. Der gestörte natürliche Lebensraum wiederum beeinträchtigt Ökosystemdienstleistungen des Bioms, was eine direkte Bedrohung für dessen Bewohner darstellt. Um eine weitere Schädigung des natürlichen Lebensraums abzuschwächen ist eine alternative Landnutzung zwingend. Die agrarindustrielle Nutzung des endemischen, fruchttragenden Mehrzweckbaums Spondias tuberosa Arruda (Anacardiaceae) hat das Potenzial eine tragfähige Alternative zur gegenwärtigen Bewässerungslandwirtschaft und Viehhaltung innerhalb der Caatinga zu sein. Bis dato beschränkt sich die Nutzung von S. tuberosa auf das Sammeln der Früchte von natürlich vorkommenden Individuen. Die natürliche Population von S. tuberosa aber leidet unter einer geschwächten natürlichen Regeneration was zu einer überalterten Population geführt hat. Die geschwächte natürliche Regeneration scheint aus einer multifaktoriellen Störung zu resultieren. Nach den Kriterien der Internationalen Union zur Bewahrung der Natur und natürlicher Ressourcen ist S. tuberosa zum jetzigen Zeitpunkt nicht als gefährdet eingestuft, da für eine Kategorisierung des Baumes für die Rote Liste gefährdeter Arten jegliche Datengrundlage fehlt. Wenn man aber die in der Literatur aufgezeigte zu erwartende Klimaänderung innerhalb der Caatinga und die eingeschränkte natürliche Regeneration von S. tuberosa berücksichtigt, erhärtet sich der Verdacht, dass S. tuberosa einem hohen Risiko ausgesetzt ist auszusterben. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag hin zur Entwicklung eines mehr wissenschaftlich fundierten Anbausystems für S. tuberosa. Ein Anbausystem, angepasst an gestörte Caatinga Flächen, das die Melioration dieser Flächen mittels Biokohle, Tonsubstrat und Ziegenmist einschließt. Der Wirksamkeit von Biokohle, Tonsubstrat und Mist als Zuschlagsstoffe für Pflanzlöcher wurde während einem 23-monatigen Feldversuch auf einem marginalen Arenosol Standort untersucht. Darüber hinaus wurde untersucht, ob die veränderten bodenphysikalischen Eigenschaften das Wachstum und die Entwicklung von S. tuberosa Setzlingen unterstützt. Weder Biokohle noch Tonsubstrat zeigten bei gegebener Aufwandmenge einen signifikanten Effekt auf die bodenphysikalischen Parameter des Versuchsbodens. Die in der Literatur für Tonsubstrat empfohlene Aufwandmenge von 10 % v/v erscheint zu gering, um die bodenphysikalischen Parameter des Arenosol des Feldversuchs zu beeinflussen, der sehr arm an feinen Bodenpartikeln ist. Bei der verwendeten Biokohle wurde Hydrophobizität nachgewiesen und aufgrund einer niedrigen Pyrolysetemperatur weist die Kohle vermutlich eine geringe Porosität auf. Diese beiden Merkmale können der Grund dafür sein, dass keine biokohlebedingte Veränderung der bodenphysikalischen Parameter beobachtet wurde. Mist erhöhte signifikant die Porosität des Versuchsbodens. Der Wassergehalt am permanenten Welkepunkt und der volumetrische Wassergehalt in den Pflanzlöchern wurden durch den Mist signifikant erhöht. Aufgrund einer starken Korrelation (R2 = 0,75) von Feldkapazität und Wassergehalt am permanenten Welkepunkt blieb die nutzbare Feldkapazität unverändert. Weder das Stammwachstum noch das Überleben der Setzlinge wurde signifikant von der Melioration beeinflusst, wohingegen das Wachstum der Feinwurzeln und das der Wurzelknollen signifikant beeinflusst wurde. Der Mist in den Pflanzlöchern führte zu signifikant geringerer Feinwurzel-Trockenmasse und korrelierte schwach signifikant mit dem Wassergehalt. Der negative Effekt des Mists auf die Feinwurzel-Trockenmasse resultiert demnach aus dem erhöhten Wassergehalt in den Pflanzlöchern. Die Anwendung von Mist hatte auch auf das Wurzelknollenwachstum einen signifikanten Effekt und führte zu größeren Knollen. Im Gegensatz zu den Feinwurzeln reagierten die Wurzelknollen nicht auf den erhöhten Wassergehalt im Pflanzloch, aber auf Porosität. Erhöhte Porosität des Bodens behandelt mit Ziegenmist führte zu größerem Knollenvolumen.

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CC BY-NC-ND 3.0

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Published in

Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)

Examination date

2017-11-07

Supervisor

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https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6252

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Language
English

Publisher

Publisher place

Classification (DDC)
630 Agriculture

Collections

Institut für Tropische Agrarwissenschaften (Hans-Ruthenberg-Institut)

Original object

Free keywords

Caatinga Land use Reforestation Amelioration

Standardized keywords (GND)

Caatinga Landnutzung Aufforstung Melioration

BibTeX

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