Опубликовано через 21 минуту

Почвы на склонах Килиманджаро: почему внизу земля беднее, чем вверху?

В северной части Танзании склоны горы Килиманджаро являются важнейшими районами как с точки зрения социально-экономического развития, так и экологической сукцессии. Основными сельскохозяйственными системами в этом районе являются системы, основанные на выращивании бананов (в высокогорьях) и кукурузы (в низинах), при этом между ними существует тесная взаимосвязь через перенос растительных остатков из низин в горы.

В данном исследовании оценивался статус плодородия почв в двух контрастных сельскохозяйственных зонах — высокогорных и низкогорных хозяйствах — в районе Хай на склонах Килиманджаро. Для этого были отобраны мелкие фермеры, проживающие вдоль склона (от банановых хозяйств на высоте выше 1000 метров над уровнем моря до кукурузных хозяйств на высоте менее 1000 м), которые практикуют перенос растительных остатков из кукурузных систем в банановые. Качественная информация о демографии, методах ведения хозяйства и управлении плодородием почв в двух районах была собрана с помощью полуструктурированных опросников. Почвы из обоих районов (высокогорные и низкогорные хозяйства) были отобраны и проанализированы в лаборатории на предмет ключевых почвенных свойств.

Результаты демографического анализа показывают, что сельским хозяйством в основном занимаются взрослые и пожилые люди (старше 40 лет). Навоз чаще всего использовался в высокогорьях, тогда как в низинах в основном применялись минеральные удобрения. Основными проблемами управления плодородием почв являются нехватка навоза и высокая стоимость минеральных удобрений.

Результаты анализа почвенных питательных веществ показали, что в низкогорных зонах (менее 1000 м над ур. м.) уровни азота (0,14%) и органического углерода (1,22%) были значительно ниже (p<0,01) по сравнению с высокогорными зонами. Содержание доступного фосфора (P) было значительно ниже в обеих зонах — высокогорной и низкогорной — и составляло 9,3 мг/кг и 8,2 мг/кг соответственно, по сравнению с другими питательными веществами. Однако содержание калия (K+) было значительно ниже (p<0,01) [0,34 смоль(+)/кг] в высокогорной зоне по сравнению с низкогорными районами.

Полученные данные свидетельствуют о серьезном истощении почвенных питательных веществ в низкогорных районах округа Хай. Несмотря на усилия мелких фермеров, исследование приходит к выводу, что для повышения урожайности и устойчивости систем земледелия необходимо восполнять запасы питательных веществ в почве вдоль склонов горы Килиманджаро.

Низкий уровень поступления питательных веществ, будь то из органических или химических удобрений, ограничивает способность сельскохозяйственных земель давать оптимальную урожайность (Amuri et al., 2017; Mesfin et al., 2021). В регионе Килиманджаро в Танзании склоны горы Килиманджаро являются важнейшими районами как с точки зрения социально-экономического развития, так и экологической сукцессии (URT, 2017; Kimaro & Bogner, 2019). Благоприятные погодные условия (хорошее количество и распределение осадков) и плодородные почвы играют важную роль в производстве сельскохозяйственных культур, и более трех четвертей населения региона Килиманджаро, чьи средства к существованию зависят от ресурсов, предоставляемых горой Килиманджаро (Misana et al., 2012; URT, 2017). На протяжении более века большая часть сельскохозяйственной деятельности была сосредоточена в высокогорной зоне (между 900 и 1800 м над уровнем моря) (URT, 2017). Банан (Musa spp.) является доминирующей культурой в системах земледелия высокогорной зоны горы Килиманджаро (De Bauw et al., 2016), по оценкам, занимает примерно 1000 км², что составляет более двух третей обрабатываемой площади горного лесного пояса (Ichinose et al., 2019). Другие культуры включают кофе, кукурузу, бобы и кормовые деревья, интегрированные с животноводством (козы и молочный скот), содержащимся в системе стойлового содержания (Ichinose et al., 2019).

Мелкие фермеры на высокогорных склонах горы Килиманджаро занимаются обработкой земли уже более века и создали очень интенсивную систему землепользования, местное название которой — система Kihamba (система деревья-банан-кофе) (Misana et al., 2012), которая напоминает систему Kibanja в Букобе — на северо-западе Танзании (Baijukya et al., 2005). Система Kihamba является многоярусной, то есть деревья-банан-кофе-трава, что обеспечивает рециклинг питательных веществ в системе (Misana et al., 2012). Интенсивное совместное выращивание нескольких культур вместе с животноводством стабилизировало продуктивность системы, обеспечивая не только почвенный покров, который в конечном итоге защищает почву от эрозии, но и круговорот питательных веществ, который обеспечил эффективное использование питательных веществ (Ichinose et al., 2019). Люди в регионе подчиняются обычному праву, основанному на патриархальных традициях, которое опирается на концепцию «сохранения имени на земле» (Maghimbi, 2007). Это означает, что земля наследуется по мужской линии (Misana et al., 2012), что в конечном итоге приводит к фрагментации земли на мелкие участки, в результате чего средний размер земельного участка составляет 0,4 га на одно домохозяйство (URT, 2017). Следовательно, эта практика увеличила нагрузку на доступные сельскохозяйственные земли и ресурсы и вынудила фермеров искать новые сельскохозяйственные угодья в низинах для пополнения запасов продовольствия и кормов (Maghimbi, 2007).

В низинах фермеры преимущественно выращивают кукурузу и бобы, и во время сбора урожая как зерно, так и растительные остатки перемещаются в высокогорья для восполнения разницы (Plate 1). Однако эта практика привела к значительной деградации земель в низинах и создала множество проблем для средств существования людей, среди которых — снижение плодородия почв, что в свою очередь привело к низкой урожайности в низинах и вызвало обеспокоенность по поводу ее устойчивости (Kangalawe et al., 2014; Mbonile et al., 2003; Misana, 2019; Misana et al., 2012). Хотя животных кормят травой, банановыми листьями и другой растительностью, поиск достаточного количества корма для содержания скота в высокогорьях является серьезной проблемой; поэтому фермеры вынуждены собирать все остатки кукурузы и бобов из низин для пополнения кормов для животных в высокогорьях (De Bauw et al., 2016; Plate 1). Эти методы ведения сельского хозяйства существуют десятилетиями; однако важность этих перемещений остатков недостаточно документирована; не оцениваются ни их эффективность, ни их устойчивость.

Мелкие фермеры в Танзании обеспечивают более 70% сельскохозяйственного производства страны. Методы ведения хозяйства в мелких хозяйствах в странах Африки к югу от Сахары, включая Танзанию, обычно связаны с незначительным или полным отсутствием восполнения питательных веществ в почве и полным удалением растительных остатков, что провоцирует воздействие деградации почв (Laekemariam et al., 2018; Van Loon et al., 2018). Следовательно, урожайность в этом регионе слишком низка, чтобы достичь потенциальной урожайности. Среди других причин низкого производства сельскохозяйственных культур в регионе указывается низкое плодородие почв, вызванное непрерывными методами ведения хозяйства, включающими полное удаление растительных остатков (Pržulj et al., 2022). Поскольку растительные остатки сохраняют органический углерод почвы, а также физические и микробиологические характеристики почвы, исследования показали, что их удаление с пахотных земель оказывает негативное влияние на качество почвы (Pržulj et al., 2022). Кроме того, в растительных остатках содержится значительное количество питательных веществ, которые могут ежегодно регенерироваться. Исследования показывают, что органические остатки, остающиеся от сельскохозяйственных угодий, состоят до 70% из калия и могут ежегодно вносить от 25 до 100 миллионов тонн регенерированного азота в мировую экономику (Laekemariam et al., 2018; Pržulj et al., 2022).

Потери почвенных питательных веществ связаны с несколькими факторами, включая эрозию почвы, выщелачивание и нитрификацию, однако исследования баланса питательных веществ в почве доказали, что сбор урожая является основным экспортом питательных веществ из мелких фермерских хозяйств (Adamtey et al., 2016; Mhoro et al., 2023). В районе Меру в Аруше, Танзания, где используются методы, аналогичные применяемым в регионе Килиманджаро, Kaihura et al. (2001) оценили вынос питательных веществ с нижних кукурузных полей до 57,6-12,5-55,5 кг N-P-K на гектар за сезон. Аналогичная ситуация также наблюдалась Baijukya et al. (2005) в районе Букоба, Танзания, где молочный скот на стойловом содержании в системах земледелия банан-кофе кормили травой и кукурузными остатками, собранными с других полей, что привело к истощению питательных веществ до 21-2-15 кг N-P-K га⁻¹ на этих полях. Данные исследований свидетельствуют о том, что непрерывное возделывание культур с низким поступлением питательных веществ может снизить плодородие почв, что приводит к низкой урожайности и деградации окружающей среды (De Koning et al., 1997; Koning & Smaling, 2005; Bahilu et al., 2016). Наблюдая аналогичный сценарий в регионе Килиманджаро, можно предположить, что устойчивость низкогорных полей поставлена под угрозу, если не будут предприняты значительные усилия по восполнению питательных веществ в этих районах. В результате целями данного исследования были: (i) изучить социально-демографические характеристики и их влияние на методы ведения сельского хозяйства вдоль склона горы Килиманджаро в районе Хай; и (ii) сравнить содержание питательных веществ в почвах в банановой системе в высокогорьях и кукурузной системе в низинах.

2.1 Район исследования

Район Хай является одним из семи районов в регионе Килиманджаро, Танзания. Он расположен между широтами 3° 09' 60.00" ю.ш. и долготами 37° 09' 60.00" в.д. (URT, 2017). Район имеет высокий потенциал для производства сельскохозяйственных культур, с годовым количеством осадков от 700 мм в нижней зоне до 2000 мм в верхней зоне и среднегодовой температурой 23°C (Munishi et al., 2015; URT, 2017). В районе наблюдаются бимодальные осадки, при этом длинный сезон дождей начинается в марте и заканчивается в июне, а ноябрь и декабрь в основном характеризуются коротким сезоном дождей (Lema et al., 2014). Для сбора демографических данных район был разделен на две трансекты: банановая зона (высокогорья, >1000 м над ур. м.) и кукурузная зона (низменности, <999 м над ур. м.). С другой стороны, для анализа почвенных питательных веществ высокогорья были дополнительно подразделены на две подзоны: верхняя зона (>1400 м над ур. м.) и средняя зона (от 1000 до 1400 м над ур. м.) для учета влияния высоты, климата и почв (Mathew et al., 2016). Годовое количество осадков обычно колеблется от 400 до 900 мм в нижней зоне, от 1000 до 1200 мм в средней зоне и от 1200 до 2000 мм в верхней зоне (Soini, 2006; URT, 2017). Исследование проводилось в четырех географически разбросанных округах: Масама Машарики и Мачаме Машарики [представляющие верхнюю зону, и Масама Рондугай и Наруму, представляющие среднюю зону склона горы Килиманджаро (Figure 1)]. Отобранные фермеры из верхней и средней зон высокогорья (банановое земледелие) использовались для определения низкогорных полей на основе кукурузы.

Рисунок 1 Сводка систем земледелия на южных склонах горы Килиманджаро в районе Хай, Танзания: (A) кукурузные поля в низинах; (B) собранные стебли и початки кукурузы; (C) транспортировка собранных стеблей и початков кукурузы в высокогорья; (D) стебли кукурузы, используемые для кормления скота, содержащегося в системе стойлового содержания; (E) скотные дворы и навоз, используемые для управления плодородием почв в системе Kihamba.

2.2 Критерии отбора и включения респондентов

Для набора респондентов в данном исследовании использовался метод целенаправленной выборки. Для этого были выбраны три местных сотрудника службы распространения сельскохозяйственных знаний и четыре лидера округов, имеющих опыт в существующих системах земледелия, для руководства идентификацией и набором респондентов. Фермеры были отобраны случайным образом на основе следующих критериев: проживание в соответствующем округе не менее трех лет; один фермер на домохозяйство; участие в сельскохозяйственной деятельности не менее двух сезонов; и наличие у домохозяйств полей в высокогорьях (верхняя и средняя зоны) или низменностях склонов горы Килиманджаро, или в обоих (высокогорья и низменности). Перед проведением опроса сотрудники службы распространения знаний и лидеры округов помогали с посещением домохозяйств фермеров, в ходе которого интервьюер имел возможность проверить соблюдение критериев включения. Был использован многоступенчатый дизайн выборки, и всего было отобрано и опрошено 60 фермеров с использованием полуструктурированного опросника с открытыми вопросами для определения методов ведения хозяйства в районе исследования. Опросник в основном собирал информацию о социально-демографических характеристиках (пол и возраст), системах ведения хозяйства (системы возделывания культур и животноводство), услугах распространения знаний, использовании удобрений, а также о методах управления плодородием почв и связанных с этим проблемах.

2.3 Отбор и анализ почвенных образцов

Для отбора почвенных образцов поля в одном и том же месте (высокогорья или низменности) должны были находиться на расстоянии не менее 0,5 км друг от друга. Это было сделано для учета градиентов питательных веществ между как минимум двумя вертикально смежными фермами. Почвенные образцы были взяты с 40 ферм: 20 ферм из банановой зоны, т.е. 10 ферм из верхней зоны, 10 ферм из средней зоны и 20 из кукурузной зоны. В зависимости от размера фермы и рельефа поля на каждой ферме было собрано 1–3 смешанных почвенных образца (Figure 2). Для приготовления одного смешанного образца суб-образцы собирались из 10–15 точек в пределах данного поля. Всего было собрано 96 почвенных образцов. Почвенные образцы были высушены на воздухе, измельчены и просеяны через сито с ячейками 2 мм для получения мелкозема для анализа питательных веществ. Лабораторный анализ почвы на pH, общий азот (N), органический углерод (OC), доступный фосфор (P), доступный калий (K) и емкость катионного обмена (CEC) был проведен в лаборатории почвоведения Университета Сокойне (SUA). Сводка процедур анализа почвы представлена в Table 1 ниже.

Рисунок 2 Карта расположения района Хай, регион Килиманджаро, Танзания, с указанием точек отбора почвенных образцов.

Таблица 1 Сводка лабораторного анализа почвы.

2.4 Статистический анализ

Данные социально-демографических характеристик были обобщены, и дескриптивные статистики (средние значения, стандартные отклонения и проценты) были рассчитаны с использованием Статистического пакета для социальных наук (SPSS) версии 23. Проценты по полу (женский или мужской), возрасту (молодежь или пожилые), местоположению ферм, доступу к услугам распространения знаний, выращиваемым культурам и поголовью скота были обобщены с использованием таблиц и рисунков. Критерий хи-квадрат использовался для статистического сравнения социально-демографических данных для выявления значительных различий между переменными, а однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) использовался для оценки значительных различий в химических свойствах почвы в зависимости от высотного градиента (верхняя, средняя и нижняя зоны) склона горы Килиманджаро с использованием программного обеспечения STATISTICA. Распределение почвенных питательных веществ вдоль склона горы Килиманджаро было изображено с использованием ящичковых диаграмм с усами. Корреляция Пирсона (Lauderdale, 2005) использовалась для наблюдения взаимосвязей между pH почвы и концентрациями питательных веществ, а также их взаимодействиями.

3.1 Общие демографические характеристики исследуемой популяции

Результаты из района исследования показали, что большинство респондентов были мужчинами (91,6%) (Table 2). Однако с точки зрения владения землей 80% мужчин владели фермами в высокогорьях, в то время как только 20% женщин владели фермами в высокогорьях. Кроме того, большинство мужчин (96,1%) имели фермы на обоих участках (высокогорья и низменности). Более того, владение землей в низинах составляло 50% как для мужчин, так и для женщин. Данные также показали, что владение землей варьировалось в зависимости от возраста. Например, в высокогорных районах пожилые люди (>60 лет) были самой большой группой (60%) с точки зрения владения землей, в то время как 50% возрастной группы от 41 до 50 лет сообщили о владении землей в низинах. В целом, группа пожилых людей имела высокий средний показатель (42,7%) с точки зрения владения землей, в то время как только 8,6% молодежи владели землей, хотя это не было значительным при p = 0,60 (Table 2). Респонденты в районе исследования были мелкими фермерами, при этом большинство (48,0%) участников имели размер фермы от 0,4 до 0,8 га при среднем размере 0,6 га (Table 2).

Таблица 2 Социально-демографические характеристики опрошенного населения в районе Хай, на южных склонах горы Килиманджаро в регионе Килиманджаро, северная Танзания.

3.2 Характеристики ведения хозяйства в районе исследования

3.2.1 Производство сельскохозяйственных культур в районе исследования

Все участники выращивают бананы как основную культуру в высокогорных районах. Однако 83,9% фермеров выращивали бананы в смеси с кофе, в то время как некоторые выращивали в смеси овощи, кукурузу, бобы, ваниль и ямс, как показано на Figure 3A ниже. С другой стороны, кукуруза является доминирующей культурой в низинах (100%), выращивается в основном в ассоциации с обыкновенными бобами (94,8%) и подсолнечником (56,9%). Сообщалось также, что некоторые мелкие фермеры выращивали такие культуры, как кунжут и помидоры (Figure 3B). Для увеличения производства сельскохозяйственных культур мелкие фермеры используют улучшенные сорта бананов в высокогорьях и кукурузы в низинах. Кроме того, подготовка земли в высокогорьях проводилась вручную, в то время как в низинах использовались тракторы.

Рисунок 3 Культуры, выращиваемые в районе Хай, вдоль южных склонов горы Килиманджаро, Танзания: (A) основные культуры, выращиваемые в высокогорьях, и (B) основные культуры, выращиваемые в низинах.

3.2.2 Животноводство и производство навоза

По крайней мере, каждое опрошенное домохозяйство содержало одно или несколько животных (Figure 4A). Однако наиболее распространенными видами скота были крупный рогатый скот (84,7%) и птица (83,1%). Сообщалось, что в некоторых домохозяйствах содержались также козы и овцы. Количество собранного навоза варьировалось от одного домохозяйства к другому в зависимости от количества содержащихся животных (Figure 4B). Большинство (31,7%) респондентов сообщили о сборе более 20 кг влажного навоза в день (Figure 4B). Тем не менее, большинство (56,6%) респондентов сообщили, что выбрасывают собранный навоз непосредственно на поля (приусадебные поля), в то время как 31,7% участников сообщили, что хранят навоз на открытом пространстве, и только 11,7% хранят его в тени (Figure 4C). В ходе неформального обсуждения мелкие фермеры сообщили, что скот содержится в системе стойлового содержания и кормится растительными остатками из банановых приусадебных участков, стеблями кукурузы, собранными в низинах, и травой, собираемой в лесных заповедниках в высокогорьях и заболоченных районах в низинах.

Рисунок 4 Характеристики мелких фермеров, указывающие: (A) типы содержащегося скота; (B) количество влажного навоза, собранного в день; (C) методы хранения навоза; (D) доступ к услугам распространения знаний; (E) расстояние до службы распространения знаний; и (F) частота посещений службы распространения знаний в районе Хай, южный склон горы Килиманджаро, Танзания.

3.2.3 Услуги распространения знаний

Figure 4D показывает, что большинство участников (68,3%) имели доступ к услугам распространения знаний. Менее пяти километров было наиболее часто указываемым расстоянием до службы распространения знаний (52,4%). С другой стороны, 23,8% респондентов сообщили, что службы распространения знаний находятся на расстоянии от 5 до 10 километров и более 10 километров (Figure 4E). Для большинства респондентов (54,8%) количество посещений службы распространения знаний было крайне нечастым; 38,1% сообщили об одном посещении за сезон, и только 7,1% сообщили о двух посещениях за сезон (Figure 4F).

3.3 Практики управления почвами и проблемы в районе исследования

3.3.1 Использование удобрений

Как животный навоз, так и неорганические удобрения использовались для восполнения питательных веществ в почве в районе исследования (Table 2). Однако большинство (94,3%) респондентов сообщили об использовании навоза в банановой системе (высокогорные зоны) в качестве добавки к почвенным питательным веществам на своих фермах, в то время как только 5,7% респондентов заявили, что используют неорганические удобрения на банановых полях. В кукурузной системе низин, с другой стороны, 100% респондентов дополняли питательные вещества для своих культур неорганическими удобрениями, особенно мочевиной и кальциевой аммиачной селитрой (CAN) (Table 2).

3.3.2 Проблемы, с которыми сталкиваются мелкие фермеры в управлении плодородием почв

Участники сообщили о различных проблемах в управлении плодородием почв в зависимости от методов ведения хозяйства в районе. Figure 5 изображает ограничения плодородия почв в высокогорных и низкогорных системах земледелия на южных склонах горы Килиманджаро. Наиболее часто упоминаемыми проблемами в высокогорных системах земледелия были нехватка животного навоза (63,3%), низкий уровень услуг распространения знаний (50,8%) и высокая стоимость неорганических удобрений (40%) (Figure 5). В отличие от низкогорных районов, где высокие затраты на удобрения (79%), нехватка навоза (45,6%), эрозия почвы (43,9%) и низкий уровень услуг распространения знаний (43,9%) были основными ограничениями для управления плодородием почв в этом районе (Figure 5).

Рисунок 5 Проблемы, с которыми сталкиваются мелкие фермеры в управлении плодородием почв на южном склоне горы Килиманджаро, район Хай, Танзания.

3.4 Свойства почвы района исследования

Результаты показали, что содержание питательных веществ по градиенту склона на южных склонах горы Килиманджаро значительно различалось (p <0,001) (Table 3). pH почвы в средней зоне был значительно (p<0,001) выше (6,58), чем в верхней и нижней зонах. Однако pH в верхней зоне был гораздо ниже (5,54) (Table 3). Общий N был значительно (p<0,001) выше (0,30%) в среднегорной зоне по сравнению с высокогорной (0,23%) и низкогорной (0,14%) зонами (Table 3). Уровни органического углерода не различались значительно (p > 0,05) между высокогорной и среднегорной зонами, но были значительно (p <0,001) выше в высокогорной (2,78%) и среднегорной (2,89%) зонах по сравнению с низкогорной зоной (1,23%) (Table 3). Доступный P и CEC были значительно (p <0,00) выше в средней зоне, на уровне 34,86 мг кг⁻¹ и 14,30 смоль(+) кг⁻¹ соответственно, чем в верхней зоне — 8,01 мг кг⁻¹ и 8,65 смоль(+) кг⁻¹ и в низкогорной зоне — 11,90 мг кг⁻¹ и 9,58 смоль(+) кг⁻¹ соответственно (Table 3). Кроме того, K⁺ был значительно выше [0,93 смоль(+) кг⁻¹] в низинах по сравнению с высокогорьями [0,36 смоль(+) кг⁻¹] и среднегорьями [0,58 смоль(+) кг⁻¹] (Table 3).

Таблица 3 Избранные химические свойства почвы на южном склоне горы Килиманджаро, район Хай, Танзания.

Верхняя зона (выше 1400 м над ур. м.); средняя зона (1000–1400 м над ур. м.); и нижняя зона (ниже 1000 м над ур. м.). Средние значения в пределах одной строки, за которыми следуют одинаковые буквы, не различаются значительно при P ≤0,05 друг от друга по критерию наименьшей значимой разности Фишера (LSD).

3.5 Корреляционный анализ почвенных питательных веществ в районе исследования

Table 4 показывает матрицу корреляции взаимосвязей между pH почвы и почвенными питательными веществами в районе исследования. Результат показывает, что pH почвы демонстрировал положительную и значительную связь с CEC и доступным P (r = 0,816, p = 0,01 для CEC; r = 0,563, p = 0,01 для доступного P) в высокогорной зоне. Однако в среднегорной зоне pH почвы показывал положительную и значительную (r = 0,422, p = 0,05; r = 0,365, p = 0,05) связь с K⁺ и CEC соответственно (Table 4). В низкогорной зоне pH почвы отрицательно и значительно (r = -0,355, p = 0,05) коррелировал с общим N. Кроме того, pH почвы показывал отрицательную, но не значительную связь с OC во всех трех зонах (Table 4). Как положительные, так и отрицательные корреляции между почвенными питательными веществами наблюдались во всех исследуемых зонах, как показано в Table 4. Общий N демонстрировал положительную и значительную (r = 0,380, p = 0,05; r = 0,479, p = 0,01) связь с OC в среднегорной и низкогорной зонах соответственно. Однако в высокогорной зоне общий N показывал отрицательную, но не значительную (r = -0,225) связь с OC. Почвенный OC отрицательно и значительно (r = -0,442, p = 0,05; r = -0,418, p = 0,05) коррелировал с P и CEC соответственно в высокогорной зоне, положительно коррелировал (r = 0,342, p = 0,05) с P в среднегорной зоне и положительно ассоциировался (r = 0,428, p = 0,05) с CEC в низкогорной зоне (Table 4). Положительная и значительная связь наблюдалась между P с K и CEC (r = 481, p = 0,05; r = 0,661, p = 0,01) соответственно в высокогорной и среднегорной зонах, в то время как слабая отрицательная связь наблюдалась между P с K и CEC в низкогорной зоне. Обменный K демонстрировал положительную и значительную корреляцию (r = 0,5484, p = 0,05; r = 0,419, p = 0,05; r = 0,508, p = 0,01) с CEC в верхней, средней и нижней зонах соответственно (Table 4).

Таблица 4 Матрица корреляции между свойствами почвы на южных склонах горы Килиманджаро в районе Хай, Танзания.

3.6 Вариация почвенных питательных веществ вдоль склона

Вариация содержания питательных веществ в почве в пределах местоположений и между ними изображена на Figure 6. Средняя и нижняя зоны показали узкую вариацию pH от 5,9 до 6,9 и от 6 до 7,2 соответственно, при этом большинство (50%) почвенных образцов было сконцентрировано между 6,4–6,7 и 6,1–6,5 в указанном порядке. Верхняя зона имела более широкую вариацию pH от 4,5 до 6,4, при этом 50% ее находилось в диапазоне 5,1–6,1. Большинство почвенных образцов (50%) имели содержание общего азота от 0,2 до 0,27%, от 0,26 до 0,36% и от 0,1 до 0,2% в верхней, средней и нижней зонах соответственно. С более узким диапазоном 1,04–1,53% в нижней зоне 50% образцов в верхней и средней зонах демонстрировали более высокие диапазоны OC: 2,08–3,33% и 2,45–3,42% соответственно. Диапазоны доступного P значительно варьировались между местоположениями. Большинство (50%) почвенных образцов в верхней и нижней зонах имели узкие диапазоны от 3,6 до 12 мг кг⁻¹ и от 3,8 до 18,7 мг кг⁻¹ соответственно; однако в средней зоне большинство почвенных образцов имели диапазоны доступного P от 16,85 до 48 мг кг⁻¹. Большинство (50%) почвенных образцов в верхней и средней зонах имели узкий диапазон K от 0,18 до 0,41 смоль(+) кг⁻¹ и от 0,41 до 0,68 смоль(+) кг⁻¹ соответственно, в то время как нижняя зона имела более широкий диапазон от 0,43 до 1,32 смоль(+) кг⁻¹ K. Пятьдесят процентов почвенных образцов в верхней, средней и нижней зонах имели диапазон CEC от 6,45 до 11,7, от 11,5 до 16,35 и от 7,5 до 11,65 смоль(+) кг⁻¹ в указанном порядке.

Рисунок 6 Ящичковая диаграмма с усами для свойств почвы в зависимости от высотного градиента на южных склонах горы Килиманджаро в районе Хай, Танзания. Примечание: верхняя зона (выше 1400 м над ур. м.); средняя зона (1000–1400 м над ур. м.); и нижняя зона (ниже 1000 м над ур. м.).

4.1 Вовлечение социально-демографических групп в сельское хозяйство

Результаты данного исследования показали, что большинство опрошенных домохозяйств возглавлялись мужчинами со средним размером фермы 1,5 акра (0,6 га). Однако немногочисленные женщины, возглавлявшие домохозяйства, были либо разведены, либо их супруги умерли. Это означает, что сельскохозяйственное производство в районе исследования ограничено высокой нагрузкой на доступную землю и ограниченным доступом женщин к владению землей. Более ранние исследования в Танзании и других странах Африки, например, Mbilinyi (1986), FAO (1985), Shoo (2011) и Gebresamuel et al. (2021), показывают, что как мужчины, так и женщины в равной степени участвуют в сельскохозяйственном производстве, при этом на женщин приходится большая часть прополки, сбора урожая и транспортировки, что составляет до 85% рабочей силы в сельскохозяйственных работах. Поэтому, чтобы ускорить преобразование сельскохозяйственного сектора для производства большего количества продовольствия для достижения Целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР) 1 (ликвидация нищеты), 2 (ликвидация голода) и 13 (борьба с изменением климата), следует уделить особое внимание пересмотру национальной политики, чтобы предоставить женщинам равный доступ к имеющейся земле. Кроме того, результаты исследования дополнительно показали, что большинство сельскохозяйственных работ в районах исследования выполняются пожилыми людьми (>60 лет). Это наблюдение согласуется с отчетом Naamwintome & Bagson (2013) в Гане и Eboh (2022) в Нигерии. Меньшее вовлечение молодежи в сельскохозяйственное производство может быть связано с низкой отдачей от затрат труда из-за небольших размеров ферм, вызванных постепенной фрагментацией земель (Mammo, 2014). Согласно Ahaibwe et al. (2013), многие молодые люди отказываются от сельского хозяйства, потому что считают, что оно предназначено только для людей с низким уровнем образования и которым больше нечего делать. Это особенно касается тех, кто окончил хотя бы среднюю школу. В результате большинство молодежи мигрирует в близлежащие города в поисках другой легко оплачиваемой работы вне сельского хозяйства. Все заинтересованные стороны в сельском хозяйстве должны принять к сведению эти наблюдения и использовать их как сигнал к разработке планов по дальнейшему улучшению отрасли.

4.2 Производство и управление растениеводством и животноводством

Бананы и кофе были основными культурами в высокогорной и среднегорной зонах южного склона горы Килиманджаро. Бананы (как продовольственная культура) и кофе (как товарная культура) сочетаются с деревьями и скотом в традиционных системах земледелия (Ichinose et al., 2019). Исторически кофе был самой важной товарной культурой на склонах горы Килиманджаро (Maghimbi, 2007; Misana, 2019). В последнее время большинство фермеров отказались от производства кофе на своих приусадебных участках и вместо этого сосредоточились на бананах и некоторых однолетних культурах, включая овощи, бобы и кукурузу. Производство кофе забрасывается из-за трудоемкости и низких закупочных цен (Mbonile et al., 2003; Kimaro & Bogner, 2019). Предпочтение бананов перед кофе основано на двойной ценности этой культуры, поскольку она используется как продовольствие для семейного потребления и как важный источник дохода домохозяйств (Meya et al., 2020). Напротив, доминирующими культурами в низкогорной зоне были кукуруза и обыкновенные бобы; другие культуры, такие как подсолнечник, кунжут и помидоры, также выращивались на некоторых полях. Этот результат согласуется с Misana et al. (2012), которые сообщили, что основными культурами в низкогорных районах склона горы Килиманджаро являются кукуруза и бобовые (бобы, коровий горох). Кукуруза и обыкновенные бобы в низинах выращиваются в основном для пополнения продовольствия и кормов в высокогорьях (Misana et al., 2012). Низкогорные районы считаются менее плодородными землями с частыми засухами (Munishi et al., 2015). В результате нижние равнины горы стали характеризоваться монокультурными и смешанными системами земледелия с преобладанием зерновых культур, таких как кукуруза и рис, при этом рис преобладает в поймах рек (Maghimbi, 2007). На нижних равнинах можно встретить несколько кустарников и разбросанных деревьев.

Основным скотом, содержащимся в большинстве домохозяйств в этом районе, являются молочный скот и птица, при этом в некоторых домохозяйствах содержатся козы или овцы. Молочный скот содержится в основном для производства навоза как источника питательных веществ на приусадебных участках банан-кофе, а также для производства молока. В этом отношении молочный скот рассматривается как концентратор и переносчик питательных веществ из травы и стеблей кукурузы, выращенных на окружающих и низкогорных полях, на приусадебные участки банан-кофе (Ichinose et al., 2019). Результаты исследования дополнительно показали, что большинство мелких фермеров в высокогорных районах района Хай управляют своими приусадебными участками банан-кофе, используя животный навоз, собранный со стад. Это наблюдение подтверждает отчет Soini (2006), который сообщил, что около 96% мелких фермеров в высокогорных зонах горы Килиманджаро используют животный навоз для управления своими банановыми полями. Однако некоторые фермеры используют неорганические удобрения только в том случае, если банановое поле смешано с овощами и/или кукурузой, как ранее сообщалось Meya et al. (2020). Хотя навоза недостаточно из-за небольшого количества животных, содержащихся фермерами в высокогорьях, тем не менее, по крайней мере, каждый посещенный приусадебный участок банан-кофе получал животный навоз в течение года. Ситуация противоположна в низинах, где фермеры используют только неорганические азотные удобрения (если они есть, и в основном вносятся ниже рекомендуемой нормы 50 кг N га⁻¹), получаемые из мочевины, CAN и SA. Ограниченное использование навоза и неорганических удобрений, наблюдаемое в районе исследования, в основном связано с нехваткой животного навоза и высокой стоимостью неорганических удобрений, что отмечалось большинством посещенных фермеров.

4.3 Проблемы управления плодородием почв в районе исследования

Мелкие фермеры описали различные ограничения, с которыми они сталкиваются при управлении плодородием почв на своих землях. Высокая стоимость неорганических удобрений, нехватка животного навоза и рабочей силы для внесения, неадекватные услуги распространения знаний и эрозия почвы являются одними из наиболее часто упоминаемых препятствий в районе исследования. Soini (2006) отметил, что одной из наиболее распространенных проблем, с которыми сталкиваются мелкие фермеры при управлении сельскохозяйственными полями на склонах горы Килиманджаро, является нехватка капитала для приобретения сельскохозяйственных ресурсов, таких как удобрения и навоз. Проблемы плодородия почв в мелких хозяйствах могут различаться в зависимости от систем земледелия и методов управления, однако общим препятствием для всех мелких хозяйств является низкий доход, который в конечном итоге активирует сопутствующие ограничения (Giller et al., 2021; Mng'ong'o et al., 2021). В связи с этим управление плодородием почв в мелких хозяйствах имеет тенденцию различаться в зависимости от социально-экономического класса. Например, исследования по управлению плодородием почв в мелких хозяйствах показали, что состоятельные фермеры обычно имеют доступ ко многим возможностям в отношении управления плодородием почв, включая доступ к услугам распространения знаний и сельскохозяйственным ресурсам (удобрениям и улучшенным семенам) на своих полях, по сравнению с бедными фермерами (Mucheru-Muna et al., 2021; Chivenge et al., 2022; Fanjaniaina et al., 2022).

4.4 Состояние плодородия почв и управление им

Результаты данного исследования показали низкий pH почвы в верхней зоне и оптимальный в средней и нижней зонах. Значения pH почвы были классифицированы как умеренно кислые в верхней зоне и слабокислые в средней и нижней зонах (Hazelton and Murphy, 2019; Horneck et al., 2011; Motsara & Roy, 2008). Низкое значение pH почвы, зафиксированное в верхней зоне, может быть связано с высоким количеством осадков, что привело к вымыванию обменных катионов. pH почвы определяет потенциальную доступность большинства основных питательных веществ для растений (Amuri et al., 2017). Большинство питательных веществ для растений становятся доступными в диапазоне pH 6,5–7,5 (Motsara & Roy, 2008). Однако оптимальный диапазон pH почвы для многих растений составляет 6,0–7,0. Исходя из этого наблюдения, высокогорная зона требует определенного внимания для коррекции кислотного уровня в почве. Более того, результат согласуется с выводами Mathew et al. (2016), которые сообщили о низком pH на большой высоте (>1400 м над ур. м.) горы Килиманджаро. Согласно Hazelton and Murphy (2019), общий N был оптимальным в высокогорной и среднегорной зонах, но недостаточным в низкогорной зоне. Наблюдаемый оптимальный общий N в почвах верхней и средней зон может быть связан с внесением навоза. С другой стороны, низкое значение общего N, наблюдаемое в низкогорных фермах, может быть связано с постоянным истощением органического вещества почвы и плохим восполнением питательных веществ, поскольку сельскохозяйственная продукция и остатки забираются для пополнения продовольствия и кормов в высокогорных районах во время сбора урожая, а также последующим выпасом скота (Meya et al., 2020).

Значения OC были низкими (<1,8%) в низкогорной зоне и высокими (>1,8%) в среднегорной и высокогорной зонах на основе классификации Hazelton and Murphy (2019). Это наблюдение объясняется климатическими условиями высокогорной и среднегорной зон и постоянным внесением фермерского навоза на приусадебные участки. Hazelton and Murphy (2019) указали, что содержание OC в почве сильно зависит от климата и методов управления. Значения почвенного углерода часто ниже в более засушливых и жарких (высокая скорость разложения органического вещества) районах, чем в более влажных, холодных (низкая скорость разложения органического вещества) районах, и это подтверждает изменчивость погоды на склонах горы Килиманджаро. CEC и доступный P были низкими в почвах высокогорной и низкогорной зон и высокими в среднегорной почвенной зоне (Hazelton and Murphy, 2019; Horneck et al., 2011). Низкий уровень CEC, зафиксированный в районах исследования, может быть объяснен высоким количеством осадков, что усугубило вымывание обменных катионов (Aprile & Lorandi, 2012). Тем не менее, низкая CEC в низинах может быть связана с эрозией почвы и малым количеством или отсутствием органического вещества в результате удаления растительных остатков, оставляя землю без органических остатков. В районах исследования также наблюдалась заметная вариабельность свойств почвы (Figure 6). Значения почвенных параметров (pH, OC, N, P, K и CEC) значительно варьировались по местоположениям. Вариации в методах управления, используемых мелкими фермерами, могут быть причиной наблюдаемой неоднородности на участке.

4.5 Взаимосвязь почвенных питательных веществ в районе исследования

Также наблюдалась матрица корреляции взаимосвязей между pH почвы и почвенными питательными веществами, а также между самими почвенными питательными веществами в районе исследования. Результаты данного исследования показали, что pH почвы имел положительную корреляцию с CEC и P в верхней зоне, но положительно ассоциировался с K и CEC в средней зоне. Однако в низкогорной зоне pH почвы отрицательно коррелировал с общим N. Кроме того, pH почвы отрицательно, но не значительно коррелировал с OC во всех зонах. Результаты, например, Wibowo & Kasno (2021); Bi et al. (2018); и Zhou et al. (2019), показали отрицательную и значительную связь между pH почвы и OC, аналогично настоящему исследованию. Это указывает на то, что низкий pH способствует образованию органического вещества. Данные исследований показывают, что связь между pH почвы и почвенными питательными веществами значительно варьируется от одного исследования к другому. Исследования, например, Zhao et al. (2011) и Kozak et al. (2005), сообщили о положительной и значительной корреляции между pH почвы и K⁺, но наблюдали отрицательную связь между pH почвы и доступным P, в то время как Hussain et al. (2022) наблюдали положительную корреляцию между pH почвы и P, аналогично настоящему исследованию, особенно в верхней зоне. Кроме того, исследование Bi et al. (2018) сообщило об отрицательной связи между pH почвы и общим N, что согласуется с настоящим исследованием в низкогорной зоне. Однако другие исследования, например, Kozak et al. (2005), наблюдали положительную связь между N почвы и pH. Разногласия среди наблюдаемых результатов могут быть объяснены вариациями свойств почвы от одного места к другому. Чтобы сделать надежный вывод о том, как питательные вещества взаимодействуют друг с другом, необходимы дальнейшие исследования в области взаимодействия почвы и питательных веществ.

Целью данного исследования было сравнение управления плодородием почв двух контрактных систем земледелия: банановой системы высокогорья и кукурузной системы низин. Исследование показало, что большинство сельскохозяйственных работ на южных склонах горы Килиманджаро выполняются взрослыми (41–60 лет) и пожилыми людьми (>60 лет), при этом последние являются преобладающей группой. Наиболее часто упоминаемыми ограничениями в управлении плодородием почв были высокая стоимость использования неорганических удобрений и ограниченное доступное количество животного навоза. Большинство участников положительно оценивают наличие служб распространения знаний, особенно ветеринарных услуг, однако мало внимания уделяется агрономическим услугам распространения знаний, что приводит к низкому плодородию почв, особенно в низинах. Поэтому настало время для разработчиков политики в стране сосредоточиться на том, чтобы сделать сельское хозяйство привлекательным сектором для молодежи путем: (i) улучшения рыночных систем сельскохозяйственной продукции; (ii) улучшения финансовых ресурсов и субсидий для привлечения большего числа молодежи к занятию сельским хозяйством; (iii) предоставления обучения по профессиональному занятию сельским хозяйством через компетентных поставщиков услуг распространения знаний; и (iii) что наиболее важно, улучшения владения землей для молодежи как способа стимулирования их участия в сельском хозяйстве.

Более того, среднее содержание питательных веществ в почве в районе исследования значительно варьировалось в зависимости от высоты, при этом почвы низкогорной зоны имели самые низкие уровни большинства химических свойств почвы, таких как N, OC, P и CEC. В районе исследования наблюдались значительные усилия по управлению плодородием почв, такие как использование животного навоза, агролесоводческие практики и меры контроля эрозии почвы, такие как террасирование и использование травяных полос и камней в системах бананового земледелия. Это противоречило системам кукурузного земледелия в низинах, где земля остается с небольшим растительным покровом и подвергается чрезмерному выпасу кочевыми стадами крупного рогатого скота. Такой сценарий сделал землю подверженной факторам эрозии почвы, что может объяснить низкое плодородие почв, наблюдаемое на кукурузных полях в низинах. Следовательно, результаты исследования должны быть доведены до сведения разработчиков политики и целевого фермерского сообщества, особенно в области управления плодородием почв, с целью (i) информирования фермеров о важности восполнения питательных веществ в почве, таком как надлежащее использование неорганических удобрений, и (ii) поощрения фермеров к управлению и использованию доступных мелиорантов почвы, таких как животный навоз, и других методов управления почвами, таких как агролесоводство и зеленые удобрения, для улучшения плодородия почвы. Кроме того, проблема свободного выпаса на оставшихся растительных остатках в низинах должна решаться серьезно, особенно разработчиками политики, чтобы управлять землей для долгосрочной устойчивости.

Mhoro L, Meya AI, Amuri NA, Ndakidemi PA, Mtei KM and Njau KN (2024) Farming systems and soil fertility management practices in smallholdings on the southern slopes of Mount Kilimanjaro, Tanzania. Front. Agron. 6:1282940. doi: 10.3389/fagro.2024.1282940

Перевод статьи «Farming systems and soil fertility management practices in smallholdings on the southern slopes of Mount Kilimanjaro, Tanzania» авторов Mhoro L, Meya AI, Amuri NA, Ndakidemi PA, Mtei KM and Njau KN., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык