文摘

本文提供了一个洞察撒哈拉以南非洲地区土地退化的问题,与强调水土流失及其对土壤质量和生产率的影响,并提出了一个lowland-based家技术应对这种情况。作物产量,除了过去和当前的侵蚀程度,由一系列相互作用的变量。这一点,再加上整体疲软数据库erosion-induced作物产量的损失,尽管该地区的高易受侵蚀,很难获得一个可靠的推理土壤流失和生产率之间的因果关系。然而,可用的数据显示,该地区的风险不是会议的农业在这个21世纪的挑战。根据一些研究综述、方法似乎压倒性影响erosion-productivity响应,而问题近乎物理环境和土壤影响响应曲线的形状。我们认为,sawah生态技术的潜在打击土地退化的负面农艺和环境影响在撒哈拉以南非洲。farmer-oriented,低成本的系统管理的土壤、水和养分资源增强水稻生产力和实现在这一地区的绿色革命。

1。介绍

自从人类开始农业,土壤侵蚀对土壤生产力的最大威胁,一直至今1]。这是因为去除表层土的任何手段,通过研究和历史证据,各自被证明有许多有害的影响土壤的生产能力以及生态健康。多兰和帕金2]标题下的土壤侵蚀的影响在他们的流行的格言,“土壤覆盖地球表面的薄层代表生存和灭绝的区别对于大多数陆地生活。“尽管肥沃的表层土可能会丢失当刮重型机械(3),表层土壤的主要途径包括水蚀和风蚀损失。有时侵蚀等逐步很久一段时间可以躲避检测在一个人的一生,从而使其负面影响难以探测。Eswaran et al。4]提出的年度亏损750亿吨土壤在全球范围内成本世界每年约4000亿美元。回顾全球农业土壤侵蚀的影响确定严重程度两组的非洲大陆和显示,属于更多的弱势群体5]。

水土流失的水似乎是最大的因素限制了土壤生产力和阻碍农业企业在整个潮湿的热带地区6]。这是明显的在非洲的许多地区(7),主要是在撒哈拉以南非洲地区的湿润和半湿润气候的区域(SSA)人口压力和森林砍伐加剧形势和大雨,暴雨,与年度土壤流失超过50吨公顷⁻¹(8]。SSA的问题不仅限于水蚀风蚀盛行主要在半干旱和干旱地带。例如,土壤流失风蚀58 - 80吨公顷⁻¹最近报道从西非荒漠草原9]。两种形式的侵蚀可以恰当地定义在该地区的土地退化。土壤侵蚀选择性分离土壤和手推车的胶体分数在径流(10,11]。这些土壤胶体分数(粘土和腐殖质)需要土壤肥力、聚合、结构稳定性和有利的孔隙大小分布。腐殖质的浓度通常是高在表层土,粘土通常在地下由于淀积作用,这主要是如此老成土,广泛的在非洲。这意味着腐殖质,更大容量保持水分和养分离子粘土相比,无机相对应的基因(12),是更容易侵蚀。

尽管事实上,非洲沙哈拉地区土地退化的问题尤其严重,只有小可靠数据可用的20世纪末在其程度(8,13)和土壤侵蚀和土壤生产力之间的因果关系4,14]。此后,没有明显的研究进展加强在该地区的数据。本文综述小可用数据,重点由水土流失和土壤属性修改的程度erosion-induced通常种植作物的产量下降,这对土壤生产力被视为一个代理。调查凸显出巨大的土壤侵蚀率和随之而来的非洲沙哈拉地区农业土壤的生产力下降。因此不足为奇,在面对迄今为止在生物技术方面的进步,农业生产率SSA停滞和仍然常年低饥饿和贫困水平明显在整个地区15,16]。

所有的不利影响农业生产力和环境质量分别由于土地质量下降和沉积的沉积物和指定的现场效果和非现场效果,分别为(4,11]。人们普遍认为erosion-induced沉积的沉积物发生在应对地形梯度,由于水不爬山农业流域,这个过程是不可逆的。有了这个观点,我们提出充分理由解决农业生态的问题不同流域的土壤侵蚀的SSA离线,而不是现场。这是一个案例sawah生态工法,大米Asian-type系统(栽培稻l .)生产,适应该地区丰富的低地。系统可以弥补损失的旱地土壤生产力而抵消由于水土流失的环境退化。它被视为有前途的选择提高水稻生产可持续发展的基础上实现SSA的期待已久的绿色革命。

2。撒哈拉以南非洲地区土壤和作物产量损失:文献的调查

2.1。指标的土壤生产力受到土壤流失的影响

土壤生产力的能力生产一定产量的作物或其他植物在一组定义的管理实践(17]。因此比较土壤生产力损失侵蚀应该做类似的土壤和作物管理场景。土壤生产力需要惊人的平衡在土壤中“身体”,“化学”和“生物”肥力,没有没有别人的价值。所有这些土壤属性受到表层土去除的影响;作物产量的影响产生的变化在这些土壤属性。水土流失的一些方式,降低其生产力包括植物营养物质的去除腐蚀沉积物,暴露root-toxic和充气底土,P结盟illuviated粘土使它显然最缺乏养分在土壤侵蚀,土壤结构变形导致表面密封和结壳降低出苗率和渗透,和非均匀去除土壤在一场复杂的任务管理土壤最大化生产(14,18]。

各自土壤侵蚀或模拟表土损失已经报道的负面影响等土壤物理性质的根区深度,砾石含量、粒度分布、强度、容重、孔隙度、聚合稳定性、水分保持能力,水分特征、饱和水力导率,和入渗率SSA (3,19- - - - - -29日]。有机质在土壤表面的存在通常促进聚合和可能产生情况土壤水分保持毛孔的优势。水土流失降低其生产力主要通过植物可用水资源能力的丧失。三个月后人工删除前(5厘米)的土壤在尼日利亚南部的三个地方,Mbagwu et al。23)观察减少水分保持能力和暴露土层的饱和水力导率,更老成土比湿润。Mbagwu和拉尔30.]后来报告说,有限的水分超过增加压实造成更大的减少根系生长和干物质的玉米(玉米l .)和豇豆(豇豆属unguiculatal .)在这些位置。

土壤化学性质主要是非洲沙哈拉地区受到侵蚀或表层土切除的不利影响包括pH值、有机质含量、总N, P,换算单位,阳离子交换能力3,21,24- - - - - -26,28,29日,31日]。尼日利亚西南部的淋溶土,拉尔(32)报道,浓缩比(呃,植物营养物质的浓度在土壤侵蚀的材料,在残积土)是2.4为有机物,总数为1.6 N, P 5.8可用,1.7可交换的K, 1.5可交换,为交换和1.2毫克。另一个淋溶土在肯尼亚中部记录每年60吨以上的土壤流失公顷⁻¹ER的相应的值分别为2.1,1.2,3.2,1.5,1.2,和1.0,分别33]。

2.2。的性质和大小Erosion-Induced收益率下降在撒哈拉以南非洲

虽然表土损失通常有不利影响土壤生产力,有时会有一个工件在这种情况下,提高土壤生产力损失或者至少不影响它不利34]。这通常是由于接触的表面之前埋土壤侵蚀后(35]。这种情况可以发现在一些深Andisols,始成(26),但几乎发生在相对较浅的湿润,老成土,和氧化土主要在热带地区,营养都集中在表层(36]。我们因此主要关心的负面影响土壤侵蚀对土壤生产力,这是更常见的非洲沙哈拉地区的观察报告。水土流失对农业生产力的不利影响短期或长期的可能(图1)。

几乎所有的短期效应源于减少表面层的厚度和选择性减少组件的层次,对于作物生产至关重要。长期影响源于随之而来的根际深度在逐步减少。

作为第一手升值erosion-induced恶化非洲沙哈拉地区的特殊性,没有的部分只有约3%的全球地表视为'或类1属于热带地区(4),属于SSA和约占世界陆地面积的39% (37]。在西非的湿润和半湿润地区,森林砍伐每年收入约400万公顷的速度,与毁林造林比30:1平均[8]。然而,信息的程度和严重性自然和人为水土流失和水土流失定量因果关系和生产力的农业土地容易侵蚀非洲沙哈拉地区普遍缺乏,可用的,软弱的,主观的,和不可靠的。这种情况已经进行长期的困难,集中跨学科研究(包括金融/时间限制),需要克服每年带来的复杂性和季节性变化的数量和大小侵蚀、产量因素的多因子的性质,以及无机肥料的信念all-ameliorating [4,14,19,35,38]。然而,迄今为止可用数据表明许多农业生态的区域的水土流失危害的严重性SSA,先进的沟壑的情况下的一些区域(图2)[39]。

Dregne [7)报道,不可逆转的水侵蚀土壤生产力损失似乎是严重的在全国范围内阿尔及利亚、摩洛哥和突尼斯在北非;在埃塞俄比亚、肯尼亚和乌干达在东非;在西非的尼日利亚和加纳北部;在莱索托、斯威士兰、南非和津巴布韦。他观察到多达50%的生产力损失在突尼斯的一部分,风蚀和划定地区在非洲大约20%永久减少对作物生产力造成人为水和风蚀。拉尔(14)估计,过去在非洲的侵蚀导致产量减少2 - 40%,收益率降低,如果目前的趋势继续下去,到2020年可能是16.5%。

2.3。选择的案例评估非洲撒哈拉沙漠以南地区的土壤流失的影响

2.3.1。除表面层的实验

尽管除表面层实验的缺点,大多数研究erosion-induced热带地区土壤生产力下降是在artificially-desurfaced土壤为了缩小信息差距在该地区土壤流失和作物生产力的关系(24]。该方法有利于本地区也因为困难的分离的影响相对于过去的侵蚀从现在侵蚀,而一些例子的评估目前的侵蚀速度对作物产量的影响(11]。选择试验基于表层土SSA总结在表中除表面层1。进一步提示数据显示,据报道在其中一个试验中,玉米的籽粒产量之间的关系,和(吨公顷⁻¹分别在第一和第二年,表土desurfaced的深度,(厘米)的指数形式(27]:

2.3.2。自然土壤侵蚀

自然土壤侵蚀的研究相对较少等SSA因为试验进行径流小区的数量是有限的。此外,这种研究不给快速结果由于侵蚀是一个循序渐进的过程,这样明显不同的作物产量可能需要很长时间才能建立起来。吸引的结果来自这种方法,然而,它们反映了发生在田间自然条件下所以给最真实和可靠的结果。一些研究基于自然的土壤侵蚀进行了总结在表2。

拉尔(21]研究了5年时间累积土壤侵蚀的影响玉米的产量和豇豆在湿润和报道,减少他们的收益率分别9.0和0.7公斤吨⁻¹土壤流失。他还获得以下收益之间的线性关系,吨,哈哈⁻¹和土壤侵蚀,吨,哈哈⁻¹:

据报道来自坦桑尼亚,减少玉米产量由于过去严重侵蚀的土壤范围从15 - 48%11]。从径流小区位于砂壤土老成土在库马西,加纳,受到四种不同耕作实践,阿达玛和Quansah41)报道,玉米的籽粒产量,公斤,哈哈⁻¹在主要的季节和累积土壤流失,吨,哈哈⁻¹在同一季节加上,前一年相关:

2.3.3。温室实验

在温室条件下,玉米的产量被发现20 - 50%(平均40%)表面土壤高于地下土壤,后者显示在N和P[不足42]。Mbagwu [24)报道,没有任何修正案,玉米和豇豆收益率,分别减少了58和19%土壤径流小区建立12年前在尼日利亚东南部老成土,土壤流失速度55吨年⁻¹。的啤酒的谷物的侵蚀土壤作物,然而,玉米和豇豆表现出较低的22和9%,产量减少。在另一项研究中,Mbagwu [36)报道,表土outyielded底土的一系列18 - 40%两个湿润,两个老成土,在尼日利亚南部一个始成土。

除表面层的研究(表的信息1),似乎有一个凸土壤流失和生产力之间的关系,也就是说,提高生产力损失和增加土壤流失。数据还显示,产量损失比湿润老成土水土流失比较严重,因此这意味着老成土有较低值比湿润。这是由于固有的老成土肥力状况通常低于湿润(12,40]。对豇豆产量下降也始终低于玉米;不管方法实现土壤流失,土壤顺序和位置。这是归因于豇豆的结瘤能力,玉米可以不做40]。值得注意的是,随着侵蚀严重程度的增加,还原率的木薯的产量(木薯esculentumc .)增加,这与其他作物,情况就不一样了。原因在于,木薯是一种deep-feeder作物,与谷物和豆类较浅喂食器。

此外,表中的数据的比较1与那些在表2显示,产量减少每厘米的土壤流失自然侵蚀土壤上总是高于土壤中从等效desurfaced土壤深处。这可能是由于部分,土壤降雨紧凑而除表面层不。在两个相邻块,拉尔(14)报道,玉米产量的下降由自然侵蚀约16倍,除表面层。然而,表层土从来都不是由自然侵蚀统一在一个生长季节删除除表面层。因此,在相同的时间尺度,和总突然消失的表层土由于除表面层将导致更强比与自然土壤侵蚀土壤特性的变化,这样的负面影响侵蚀对土壤生产力可能被夸大了43]。这就是为什么窝Biggelaar et al。5]的观点研究土壤侵蚀作为模仿不恰当的管理实践及其不利影响。表中的数据1和2因此支持认为erosion-productivity关系所产生的不同的方法很难进行比较(4,43]。

3所示。维持土壤生产力与土地退化在撒哈拉以南非洲

使用研究Oyedele和Aina25尼日利亚西南部]作为一个参考点、土壤化学性质可以占超过75%的谷物的产量的变化从非洲沙哈拉地区土壤侵蚀。因此,erosion-induced短期下降的生产力更容易地补偿由无机或有机施肥和补充灌溉,而不是长期生产力下降(11]。然而,无机肥料的效率在一个侵蚀土壤的物理性质退化和化学营养损耗取决于在很大程度上,危害水平之间的动态关系到土壤的物理条件和水平的进展在改善它的困难的任务35,44,45]。这种情况下需要一个精心挑选的组合,适当的管理实践根据产量减少的形状函数。在尼日利亚,例如,从侵蚀研究证据表明,湿润而不是无机肥料,家禽粪便和休闲地应用到各种草和豆科物种两年可以改善土壤理化性质和生产力29日,46]。

SSA局势呼吁更可持续的农业系统,强调了需要超越使用无机肥料的恢复在该地区自然侵蚀土壤的生产力。除了在沟壑的情况下可能需要紧急干预,覆盖种植进入我们的农业系统可以帮助保护“yet-to-be-degraded”对退化土壤而阻止进一步的侵蚀已经“退化”(旱地土壤33]。这样的土壤管理实践允许侵蚀土壤生产力的恢复损失的机会率与其弹性相适应。有一段时间了,不过,这个问题一直在如何更好地适应非洲沙哈拉地区的土壤侵蚀问题作为生计策略的一部分(13]。我们在本文中提出,它更有利可图的更大的努力集中在发展与巨大的低地资源sawah生态工法。的sawah系统是基于流域发展的概念,因此,是日本“Satoyama”系统的适应非洲的环境。图3是非洲“Satoyama”概念的一个例子,这是一个分水岭农林适用于西非可可带地区。

Sawah指的是一个低地字段划分使用陶制的国债,使用手动耕耘机搅,夷为平地,移植到行高产水稻品种,并保持在监管整个生长季节(图下沉4)。因此与传统低地稻田是一个多样化的和混乱的环境,低地sawah系统是一个多样化的和加强水稻种植环境的特点是精心设计和现场条件,明确管理的土壤,破坏水和养分资源。这个词sawahMalayo-Indonesian原产地但已经采用在SSA对应于稻田在亚洲。采用成为必要为了区分技术未经加工的大米谷物,陆稻字段,或传统低地稻田(都是经常被称为水稻SSA)。希望清除这些术语的不确定性将促进共享思想和策略在所有涉众在水稻生产16]。

4所示。为什么低地Sawah生态技术?

毋庸置疑,有非洲沙哈拉地区粮食生产需要为当前水平运输到下一个水平的同时增加了产量和保护自然环境。实现这一任务的方法之一就是努力修改离线侵蚀的影响,而不是损害环境质量,侵蚀沉积,最终得到的沉积物在低地可以利用为农业生产和环境质量使用低地等一个合适的技术sawah系统。因为这种沉积物沉积过程的重大贡献(或称为地质受精)低地土壤的肥力SSA (48),的sawah生态技术显然是转移注意力的现场,离线的应对水土流失的问题。

首先,大约24亿公顷的土地,SSA低地包括约2.5亿公顷(49]。这意味着低地占领该地区10%以上的土地质量。绝大多数的低地SSA增加农业生产的巨大潜力,但他们中的许多人仍未开发的和其他大多数严重未得到充分利用50]。在他的文章中说:“非洲绿色革命不必是海市蜃楼,”埃西塔(15)指出,在非洲的文化抬头为解决当地问题的科学并不完善,人们可以意识到绿色革命与本地发达和当地相关技术。我们可以因此修辞“看向下一个低地技术”来代替我们在非洲寻求一个可持续的农业生产系统。人们越来越意识到这个选项。因此,前几天已经一去不复返了1990年代中期时更注重在旱地种植水稻旱作农业土壤比低地生态系统(16,51]。在西非,其余SSA的水稻生产,例如,高地与低地比率的面积大米是10.00:6.13,这个比例是速降52]。

类似于他们的态度不抬头为解决当地问题的科学,非洲农民倾向于疏远任何science-oriented农业生产系统那不是根植于农耕文化和本土知识不做出任何贡献。为了支持这一点,人们的偏好从高地转移到低地农业已被确认为农林复合经营失败的原因之一,要实现成功的期望它的51]。这可能并非如此sawah生态工法在低地水稻已经在非洲传统的作物。相反,该地区农民认为技术是把他们从他们已经知道如何做得更好。除了农民熟悉的农业生态系统,低地表示农业生态学的低海拔,所以主要为水稻作物提供有利的水文条件。尤其是在几内亚的赤道森林和草原地带,降水和地下水侧向流从邻近的高地导致降低footslopes和山谷的底部是饱和或淹没在一段时间内,从而确保一个潜在的长期种植,允许双水稻种植或种植蔬菜和块根作物水稻后(49]。

此外,沉积物等物可以产生有利的土壤hydrophysical状态sawah管理水稻,这通常是最明显的极端山谷底部(53]。因此上述地质受精。这样的自然机制的补充土壤“物理”和“化学”肥力可以想象从图3。丰富的方面sawah系统与植物营养尤为珍贵,因为固有的低生育状态的低地土壤SSA (54]相对于相对低水平的肥料使用SSA农民(55]。由于地形的低地和生态工程的工作sawah系统设计、水土流失减少在这些生态几乎为零sawah生态工法。这等好处,保证的表层土的特点是低容重特别是在赛季早期(由于炼铁运动)不是冲走,从而免除对营养丰富的沉积物搬运的高地。技术是非常有效的保护土壤,水,营养,和整体环境。

早些时候提议在西非水稻农业高地应该培养short-to-long休耕期,而大型内陆山谷,沿海平原,冲积平原应该培养更多的集中(49]。然而,现有的研究概念改善自然资源管理SSA可能不会带来预期的结果在低地种水稻的农民,除非有明确的研究概念改善水土条件的低地。绿色革命的应用三个核心技术(高产品种,无机肥料和灌溉设施)外sawah系统甚至可以破坏环境,例如来自低效的肥料使用情况下可怜的水资源管理在非主流sawah稻田(48]。目前,sawah生态工法似乎结束寻找一个在该地区的农业系统,解决了这个问题。因此,对于非洲的倡导增加化肥的使用(55)适当适用于低地,sawah系统首先必须到位。现在的农民自己知道反应良好的高产品种化肥只有当他们有利的水土条件下生长16]。的sawah生态工法是低地,因此唯一的粮食系统可以允许这些大米的精耕细作提出生态在可持续的基础上,也就是说,在不影响高产和环境质量48]。

的sawah生态工法在低地前景有很多应对非洲沙哈拉地区土地退化和确保可持续农业生产。我们15年和继续试验在加纳和尼日利亚已经证明了sawah系统成功应用的先决条件是其他绿色革命技术实现水稻SSA的潜能。技术farmer-friendly因为农夫被授权的绝对控制和管理水在他的领域,使他们享受灵活,因此方便表农事季节。我们假设,如果农夫放置的中心低地的创建sawah系统,现场水控制可以更有效和争取一个可持续的水稻生产系统和大米在撒哈南的非洲绿色革命可以赢了。这是我们的sawah假设我。

此外,适当的管理sawah系统提供生态系统服务的潜力。这主要是通过加强C封存在森林和土壤和相关alleviatory影响全球变暖的问题(50]。的sawah系统还可中和土壤pH值从而提高P和土壤中微量元素的可用性。这样一个有利的土壤养分状况的条件鼓励无数的扩散主要是厌氧和光合微生物,通过微生物纳米线协作网络,构成强大的生物机制N固定。在亚洲,这种现象会导致年度值从20到200公斤N公顷⁻¹根据生物物理和水稻种植环境(48]。的sawah系统,因此,不依赖于只有红萍维持生物N在土壤中。其他的好处sawah系统包括有利的土壤氧化还原过程和抑制杂草的生长主要是由于水下土质条件和良好的分蘖。

最重要的是,陆稻在西非的平均产量是0.9吨公顷⁻¹(49]。主要表明如此低的收益率与日益增长的生态和农业系统,一些科学家最近报道,新的水稻品种的平均产量为非洲南部(新稻)从三个地方哈贝宁只有1.14吨⁻¹之前,它是生长在整地高地和适当的施肥尽管[56]。另一方面,下水稻籽粒产量sawahha系统范围从4.0到8.0吨⁻¹根据水稻品种增加,外部输入电平,水资源管理,以及其他农艺和管理实践57,58]。平均,因此,数据只是声明代表低大约4到8倍下的水稻籽粒产量下的旱地种植系统比小说低地sawah系统。

然而,考虑到高地系统涉及休闲时间是没有必要的sawah系统,两个系统之间的收益率差距扩大。至少10公顷的高地是相当于1公顷的低地sawah的收益率在一个生长季节。这是我们的sawah假设2。换句话说,每公顷的低地sawah场使保护至少10公顷的森林区域。Sawah字段可以促进粮食产量的增加和森林保护,进而提高了密集的低地的可持续性sawah系统通过加强水资源保护和提供肥沃的表层土的地质受精。所有这些都指向了可持续的本质sawah系统相比,陆稻文化主要特点是刀耕火种,从而进一步我们的农业生态系统退化和环境。

5。的挑战Sawah生态工法在撒哈拉以南的非洲

低地特别容易受到气候和环境变化。例如,全球变暖海平面上升与当代,通过修改沿海环境,最终影响的水文条件低地。因此,低地偶尔受洪水等自然灾害。因此,需要多学科的研究加强低地sawah生态工法对这样的灾难。密切相关的SSA环境是需要经验设计的一种手段应对可能的不利影响土壤结构的扰动捣成糊状。假定在低地侵蚀并不是一个问题sawah土壤紧实土壤的行为可能会有所不同在发生洪水灾害,如果土壤结构不正常再生。淡季搅低地土壤结构状况也会影响后水稻种植任何作物的性能,因此强调需要研究后sawah作物会最大化的使用低地地区的土壤资源。

此外,考虑自然土壤肥力的重要补充,减少无机肥料和相关的经济回报,减少的程度在不同的地形地质受精和覆盖条件需要量化。同样,我们只知道在亚洲稻田生物固氮作用的程度,这是有待评估sawah系统在SSA不同hydrophysical环境(50]。这是很重要的,考虑到低地质受精的低地对总N可用相比P [32,33]。最后,sawah假设二世在SSA尚未验证环境。这一切都是需要加强的sawah系统同时减轻土地退化的一种手段,确保可持续的水稻产量和促进生态健康。

6。视角

在大多数SSA,土地退化可能破坏努力可持续农业生产,因此对农业的未来构成重大威胁。遗憾的是,迄今为止的可用数据的量化土壤流失和减少作物产量之间的关系在该地区仍是断断续续的,严重不足。小可用数据,虽然具有很大的差距,突出土壤生产力的巨大的损失在该地区侵蚀。的sawah生态工法为低地水稻生产有很大的前景。虽然集中在低地,管理良好sawah系统可以帮助保护土壤和水在整个流域。技术,实现自给自足的撒哈南的非洲国家有机会在水稻产量提高环境的质量。尽管仍有地区需要长期合作研究的适应性sawahSSA系统环境中,到目前为止我们相信适当的应用sawah生态技术在水稻的农民的字段是一个成功应用其他绿色革命技术的先决条件。

确认

作者欣然承认教育部的赞助,文化,体育,科学和技术(下边了),日本政府通过Monbukagakusho奖学金,促进日本社会科学(jsp)和新Sawah日本近畿大学的项目。