The Analysis of Climate-induced Feed Gaps in Arid and Semi-arid Southern African Regions: The Case of The Limpopo Province-South Africa

by Sala Alanda Lamega
Doctoral thesis
Date of Examination:2022-07-21
Date of issue:2023-05-23
Advisor:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Kingsley Ayisi
Referee:Prof. Dr. Eva Schlecht
Sponsor:German Federal Ministry of Education and Research: grant number 01LL1802A
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9883

 

 

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Abstract

English

In the southern areas of Africa, climate hazards such as prolonged drought are among the phenomena that have negatively affected the farming systems. In relation to livestock, productivity is constrained by the shifts in vegetation dynamics that translate into feed gaps. Therefore, opportunities to cope with seasonal or interannual feed gaps for smallholder livestock keepers are urgently needed. Against this background, we investigated one of the most susceptible provinces to drought risks in South Africa, the Limpopo province, the seasonal occurrence of feed gaps. Firstly, we used a survey technique to derive specific on-farm information regarding the seasonal feed availability and the current adaptation options as perceived by the rural smallholder farmers. We linked the survey information to vegetation-modeled data of the surveyed sites using aDGVM (adaptive Dynamic Global Vegetation Model) and elemental nutrient analysis of grazed grasses during the winter period. We analyzed these data to draw conclusions on the patterns of feed gaps across farm types (e.g. livestock only, mixed crop-livestock) and locations (warm arid, warm semi-arid, and cool semi-arid). Secondly, to have a broader picture of the available forage resources, we calculated the forage balance of the study province in relation to cattle keeping. Here, we linked the results to the assessment of the land use types (soil nutrient analysis of rangelands and arable lands) and crude protein levels of available feeding resources in periods of feed gaps. We found that a negative forage balance in the province, and degraded land use types may be strong drivers of the seasonal feed gaps. Thirdly, additional on-farm data (e.g. cattle feces samples, cattle tail hair) were analyzed for the C and N isotope signatures. These samples were analyzed to assess and identify the triggers of feed gaps and their impacts on the farming systems. Here, we used isotopic signature techniques (δ15N and δ13C ) to highlight livestock nutritional stress/differences across the locations and farm types. Stable isotopes are an important tool that can be used to describe and quantify different diet sources. Particularly, hair tissues contain dietary archive information that can temporally and spatially inform us on the environment. In line with this, the results confirmed that feed when available to livestock is usually “protein-deficit” which may be the cause of feed gap impacts such as animal weight losses. The results indicated that feed gaps follow strong seasonal patterns and suggest that strategies to cope need to be context-specific. Furthermore, the results of this study set a strong foundation to inform drought risk management in a smallholder livestock farming context. The results can serve as a step toward developing context-specific management options for improved livestock systems. Also, this study calls for further mixed crop-livestock systems research focusing on a whole-farm modeling approach to evaluate the system against climate scenarios and different management options.
Keywords: Crop-livestock systems; Drought; δ15N; δ13C; Communal rangelands; Climate risks

German

In Afrika südlich der Sahara wirken sich klimatische Risiken, wie lang anhaltende Dürren, negativ auf die landwirtschaftlichen Produktionssysteme aus. Die Viehwirtschaft in den überwiegend kleinbäuerlich geprägten Strukturen ist davon besonders betroffen, weil eine starke Abhängigkeit von der Produktivität des Savannengraslands besteht, welche stark durch Dürren zurückgeht, wodurch saisonal Futterlücken (sog. feed gaps“) resultieren. Insbesondere der niederschlagsfreie Winter zählt zu den kritischen Perioden innerhalb eines Jahres, wobei inter-annuell Variation in der Stärke von Wintertrockenheit auftritt. Daher sind Möglichkeiten und Anpassungsstrategien an die saisonal auftretenden Futterlücken dringend erforderlich. Vor diesem Hintergrund untersuchten wir in einer der trockenheitsanfälligsten Provinzen Südafrikas, der Provinz Limpopo, das saisonale Auftreten von Futterlücken. Dafür wurden auf ausschlieSSlich viehhaltenden Betrieben sowie auf Gemischtbetrieben mit Ackerbau und Viehhaltung Untersuchungen vorgenommen. Um die Klimavariation in der Provinz Limpopo abzubilden, wurden diese Betriebstypen in unterschiedlichen agro-klimatischen Regionen (warm-arid, warmsemiarid und kühl-semiarid) aufgesucht. Zunächst haben wir eine Umfrage durchgeführt, um spezifische Informationen über die saisonale Futterverfügbarkeit und aktuelle Anpassungsmöglichkeiten unter Kleinbauern zu erhalten. Wir verknüpften die Erhebungsdaten einerseits mit Berechnungen anhand eines Vegetationsmodells zur Bestimmung der Produktivität des Savannengraslands der untersuchten Standorte. Andererseits wurden Elementarnährstoffanalysen des im Winter beweideten Savannengraslands vorgenommen, um Rückschlüsse auf die Muster der Futterlücken in den verschiedenen Betriebstypen (z. B. nur Viehhaltung, Mischkulturen mit Viehhaltung) und agro-klimatischen Regionen (warm-arid, warmsemiarid und kühl-semiarid) zu ziehen. Um ein umfassenderes Bild der verfügbaren Futterressourcen zu erhalten, berechneten wir zweitens die Futterbilanz der Studienprovinz in Abhängigkeit von der Viehbesatzdichte. Wir verknüpften diese Berechnungen mit einer agronomischen Bewertung der Landnutzungsarten Weide und Ackerland. Hierfür wurden Bodennährstoffanalysen sowie Futterqualitätsanalysen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass unter Einbezug der Graslandproduktivität und des Aufkommens von Ernteresten des Ackerlands eine negative Futterbilanz in der Provinz die Hauptursachen für die saisonalen Futterlücken sein können. Diese sind auf Betriebsebene aber nicht weit verbreitet, um die Risiken klimabedingter Futtermittellücken zu verringern. Drittens wurden Analysen stabiler Isotope von Boden- und Futterproben sowie von Schwanzhaaren und Dungproben der Rinder auf den untersuchten landwirtschaftlichen Betrieben vorgenommen. Hierbei lag der Fokus auf der saisonalen Dynamik von Kohlenstoff-(C) und Stickstoff-(N) Isotopensignaturen, die den Ernährungsstress in Abhängigkeit von Betriebstypen und agro-klimatischen Regionen aufzuzeigen können und einen Rückschluss auf die Futterverfügbarkeit in Zeiten der Futterlücken zulassen. Insbesondere Haargewebe enthält Informationen aus dem Ernährungsarchiv, die uns zeitlich und räumlich über die Umwelt informieren können. In diesem Zusammenhang bestätigen die Ergebnisse einen ťťProteinmangelťť, was die Ursache für Gewichtsverluste der Tiere sein kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Futterlücken starken saisonalen Mustern folgen und legen nahe, dass Strategien zur Bewältigung kontextspezifisch sein müssen. Darüber hinaus bilden die Ergebnisse dieser Studie eine solide Grundlage für das Dürrerisikomanagement in der kleinbäuerlichen Viehhaltung. Die Studien zeigen auch die Notwendigkeit weiterer Forschungsarbeiten zu gemischten Ackerbau- und Viehzuchtsystemen auf, die sich auf einen Modellierungsansatz für den gesamten Betrieb konzentrieren sollten, um das System im Hinblick auf Klimaszenarien und verschiedene Managementoptionen zu bewerten.
 
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