Soil moisture dynamics in integrated crop - livestock - forestry systems in the Cerrado Biome in Central - West Brazil

Abstract

The Cerrado biome in Brazil covers about 200 million ha and is a global biodiversity hotspot. Over the last decades, the Cerrado biome underwent and is still undergoing an excessive expansion in agriculture. Deforestation and replacement of the natural Savannah vegetation by cropland and pasture contributes to serious environmental problems, including soil degradation and altered water cycles. The integrated crop-livestock-forestry (ICLF) system is currently promoted as a measure for sustainable intensification. It improves the use of cultivated areas, recovers previously degraded land, and could be a strategy for adapting agriculture to climate change. Despite being considered a key indicator of how integrated systems affect ecological processes, soil moisture (SM) dynamics in literature have not been consistently analyzed, and continuous observation of seasonal SM dynamics are mostly unaddressed. Since SM of complex ecosystems is influenced by numerous factors, several additional parameters need to be considered to create a comprehensive understanding of the interlinked processes, such as radiation, rainfall, and biomass. The objective of this cumulative PhD thesis was to investigate SM dynamics and aboveground grass biomass under different land use systems in the Cerrado biome of Central West Brazil. In the first study, photosynthetically active radiation (PAR) received at grass canopy level, SM, AGBM between the tree rows, and seasons in a mature ICLF system were investigated. Across the seasons, a distinct gradient was observed with SM being lower close to the tree rows than in the space between them. During winter, SM in the topsoil decreased to critical values, and dropped to the permanent wilting point next to the tree rows. During spring and summer, incident PAR was lower close to the trees than at the center point, while during autumn and winter, when PAR is generally lower, it was more evenly distributed between the tree rows. Aboveground grass biomass (AGBM) showed a distinct distribution within the ICLF system with maximum values in the center and about 50% of the biomass close to the tree rows. The results suggest that, restrictions in AGBM accumulation shifted among seasons between water limitations in winter and light limitations during summer. In the second study, the seasonal and spatial variability of SM of Cerrado soils under four different land use systems was investigated under consideration of soil physical characteristics and grass biomass. In rainy and dry season, SM in the upper 100 cm of the soil was highest in the integrated crop-livestock (ICL) system, followed by the continuous pasture (COP), and lowest in the land use systems including trees, ICLF and Cerrado. Whereas in COP and in ICL, water was mainly taken up from the upper 30 cm, in ICLF, the strongest soil moisture depletion was observed between a soil depth of 40 and 100 cm. Although in the Cerrado SM in the topsoil was lower than in the other land use types, water was conserved below 60 cm depth. Both integrated systems improved soil properties, such as bulk density and soil organic carbon compared to COP, and increased biomass productivity was observed, demonstrating the benefits of the integrated systems over the traditional grazing system. The results suggest that ICLF systems show increased evapotranspiration compared to conventional pasture and other integrated systems without trees. In the third study, the effects of the presence of eucalyptus trees on the seasonal pasture and animal performance in ICLF systems 8 years after establishment were investigated. Forage morphology, production, and nutritive value plus performance of Nellore heifers in two ICLF systems with varying in trees density, were evaluated and compared with a grass-only pasture. In both ICLF systems, the forage nutritive values were improved compared with a grass-only pasture. Nevertheless, grass biomass and accumulation rate were higher in the grass-only pasture. By the 8th year, the ICLF systems were unable to support both forage and animal production equivalent to a grass-only pasture, due to the high impact of the Eucalyptus trees on radiation received at the grass canopy and on soil moisture. Improved soil characteristics and forage nutritive values compared to grass-only pastures, and the potential restoration of natural ecosystem functions regarding water recycling into the atmosphere, demonstrated the benefits of ICLF systems and highlight their potential to contribute to sustainable agricultural intensification. However, high water consumption by trees poses a risk to grass productivity during the dry season and thus, the system may consequently not be used for grazing all year round. Therefore, research on management options mitigating the impact of drought on grass productivity is needed. As the impact of the trees on the system is highly dependent on their age, these studies should consider the entire life cycle of the system.

Das Cerrado Biom in Brasilien umfasst etwa 200 Millionen ha und gilt als globaler Biodiversitätshotspot. Seit einigen Jahrzehnten dehnt sich die Landwirtschaft innerhalb des Bioms exzessiv aus. Die Abholzung der natürlichen Savannenvegetation trägt zu schwerwiegenden Umweltproblemen, u.a. Bodendegradierung und veränderte Wasserkreis-läufe bei. Das ICLF (integrated crop-livestock-forestry) System, welches Pflanzenbau, Viehzucht und Forstwirtschaft integriert, wird derzeit als vielversprechende Maßnahme zur nachhaltigen Intensivierung vorangebracht. Es verbessert die Nutzung von Anbauflächen, rehabilitiert zuvor degradierte Flächen und könnte eine Strategie zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel sein. Ein wesentlicher Vorteil von ICLF-Systemen wird der Bodenerhaltung zugeschrieben. Obwohl die Dynamik der Bodenfeuchte (BF) ein wichtiger Indikator dafür ist, wie integrierte Systeme ökologische Prozesse beeinflussen, wurde sie in der Literatur nicht konsequent analysiert. Des Weiteren wird die jahreszeitliche Bodenfeuchtedynamik meist nicht durch kontinuierliche Beobachtungen berücksichtigt. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation war es, die Bodenfeuchtedynamik und die oberirdische Grasbiomasse (GB) unter verschiedenen Landnutzungssystemen im Cerrado Biom mit besonderem Fokus auf ICLF-Systeme zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die auf der Grasebene ankommende photosynthetisch aktive Strahlung (PAR), BF und oberirdische GB zwischen den Baumreihen zu verschiedenen Jahreszeiten in einem ICLF-System untersucht. Die BF nahe der Baumreihen war niedriger als im Bereich zwischen den Baumreihen. Während des Winters sank die BF im Oberboden auf kritische Werte und fiel in der Nähe der Baumreihen bis auf den permanenten Welkepunkt. Die Strahlung war im Frühjahr und Sommer in der Nähe der Bäume niedriger als im Bereich zwischen den Baumreihen, während sie im Herbst und Winter bei generell niedrigerer Strahlung gleichmäßiger zwischen den Baumreihen verteilt war. Die oberirdische GB zeigte eine deutlich unterschiedliche Verteilung innerhalb des ICLF-Systems mit Maximalwerten im Bereich zwischen den Baumreihen und etwa 50 % weniger Biomasse direkt neben den Baumreihen. In der zweiten Studie wurde die saisonale und räumliche Variabilität der BF von Cerrado Böden unter vier verschiedenen Landnutzungssystemen und unter Berücksichtigung der bodenphysikalischen Eigenschaften und der oberirdischen GB untersucht. In der Regen- und Trockenzeit war die Bodenfeuchte in den oberen 100 cm des Bodens im integriertes System ohne Bäume (ICL) am höchsten, gefolgt von kontinuierlich Weide (COP), und am niedrigsten in den Landnutzungssystemen mit Bäumen, ICLF und Cerrado. Obwohl im Cerrado die Bodenfeuchte im Oberboden geringer war als in den anderen Landnutzungssystemen, blieb Wasser unterhalb von 60 cm Tiefe erhalten. Beide integrierten Systeme verbesserten die Bodeneigenschaften, wie z.B. die Lagerungsdichte und den Gehalt von organischem Kohlenstoff im Boden im Vergleich zu COP. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ICLF-Systeme eine erhöhte Evapotranspiration im Vergleich zu herkömmlichen Weiden und anderen integrierten Systemen ohne Bäume aufweisen. In der dritten Studie wurden die Auswirkungen von Eukalyptusbäumen auf die saisonale Produktion und Qualität von Grünfutter und die Nutztierleitung in ICLF-Systemen, 8 Jahre nach der Etablierung untersucht. Grünfuttermorphologie, -produktion und -nährwert sowie die Leistungsparameter von Färsen der Rasse Nellore in zwei ICLF-Systemen mit unterschiedlicher Baumdichte, wurden bewertet und mit einer reinen Grasweide verglichen. In beiden ICLF-Systemen waren die Nährwerte des Futters (höheres Rohprotein und Verdaulichkeit) im Vergleich zu einer reinen Grasweide höher. Andererseits waren die Grasbiomasse und die Akkumulationsrate bei der reinen Grasweide höher. Im achten Jahr erzielten die ICLF-Systeme daher nicht mehr die gleiche Weidequalität und Nutztierleistung einer reinen Grasweide. Diese Leistungseinbußen waren auf den negativen Einfluss der Eukalyptusbäume auf die Beschattung der Grasschicht und Bodenfeuchte, insbesondere im Winter, zurückzuführen. ICLF-Systeme zeigten verbesserte Bodeneigenschaften und Futternährwerte im Vergleich zu reinen Grasweiden, sowie die potenzielle Wiederherstellung natürlicher Ökosystemfunktionen im Hinblick auf die Rückführung von Wasser in die Atmosphäre. Sie zeigen ein hohes Potenzial, zu einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Intensivierung beizutragen. Der hohe Wasserverbrauch der Bäume stellt jedoch ein Risiko für die Grasproduktivität während der Trockenzeit dar, so dass das System folglich nicht das ganze Jahr über beweidet werden kann. Daher ist die Untersuchung von Managementoptionen, die die Auswirkungen von Trockenheit auf die Grasproduktivität abmildern, notwendig. Da der Einfluss der Bäume auf das System stark von ihrem Alter abhängt, sollten diese Studien den gesamten Lebenszyklus des Systems berücksichtigen.