Integration of Organic Farm Waste into Smallholder Banana-Coffee-Based Farming Systems in the Kagera Region, NW Tanzania

In the studied Kagera region (NW Tanzania), smallholder banana-coffee-based farming systems developed over hundreds of years. To this day, they traditionally consist of four components: the older and younger homegardens (kibanja and kikamba in the local Bantu language), woodland (kabira), and grassland (rweya). The management of organic farm waste has played an essential role in maintaining soil fertility, diversity, and agricultural productivity in these agroforestry systems. However, rapid population growth since Tanzania’s independence in the 1960s, an influx of refugees in the 1990s, and accompanying environmental degradation have shaped large parts of the study region. As a result, farm sizes, crop yields, and food security have declined, soils and farming systems have degraded, and impoverishment has increased. The overall objective of this study was to investigate whether degraded homegardens can be transformed back into multifunctional, sustainable, and fertile agroforestry systems through sustainable organic farm waste management. Organic farm waste embraced crop and tree residues, kitchen and food waste including cooking ash (as inorganic residue), livestock manure and urine, animal bones, as well as human faeces and urine. The objective was subdivided into three targets and related research foci: (1) to understand the status quo of organic farm waste management in the research area, (2) to evaluate modification options for sustainable banana-coffee-based systems, and (3) to evaluate an optimisation of organic farm waste management to increase agricultural production. An interview of 150 smallholder households on the current availability and uses of organic farm waste was conducted (1). The survey encompassed geographical variables, economic data, and household and agricultural information relating to the Water-Soil-Waste Nexus and the Water-Energy-Food Nexus. A farm household typology was constructed to categorise the farm households according to their biomass production and use of organic farm waste. Five focus group discussions were held in a local farmer field school to evaluate training on sustainable land use management (2). The farmer field school had trained about 750 farm households in de-graded banana-coffee-based farming systems in the last two decades. Also here, a typology construction of trained farm households was created. Both typologies were compared to each other. Nutrient cycles of the homegardens of trained and untrained farm house-holds were calculated (3) using the following scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr-1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr-1 of CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 of land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. Results revealed that integrated organic farm waste management still plays a key role in farm nutrient and soil fertility management in these farming systems, but to a lower extent than in the past (status quo). Smallholder farmers that apply organic farm waste to their fields – using in situ, pit, ring-hole, and mixed composting techniques – have higher yields. However, the knowledge on waste management – traditionally passed on from generation to generation – has declined. Today, only one-third of these households earn a reasonable living from their agricultural products. Female-led households with a high age-dependency ratio and farmers with problematic socio-economic backgrounds continue to be the most vulnerable to food insecurity. In comparison, the implementation of training on sustainable land-use management has considerably improved farmers’ livelihoods. Successfully implemented knowledge on sustainable soil and farm nutrient management, including the modification of composting techniques, afforestation, selection of appropriate crop and tree species, improved labour allocation and time management, agricultural record-keeping, as well as gender-responsive communication and decision-making, has led to a transition: from degraded agricultural to multifunctional agroforestry systems. However, also here, one-third of the trained farmers has hardly transformed at all and has remained vulnerable to difficulties with food security, income diversification, and access to education. Comparing the nutrient balance between the homegardens of untrained and trained households, the homegardens of trained households are more likely to have a positive nutrient balance than those of untrained ones. Although untrained households would improve the nutrient balance under all management scenarios, their nutrient balances do not actually turn positive, especially not for nitrogen. Besides, nutrient cycles in the homegardens of all households remain ‘open’ because farmers currently import nutrients from the surrounding area, e.g., through fodder from the grassland. To overcome this dependency, short-term nutrient deficiencies might be alleviated with a precise application of mineral fertiliser and by fostering zero grazing. However, limited access to mineral fertiliser, labour-intensive manure collection and compost production against a background of land scarcity, labour shortage, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances, remain major challenges. To conclude, action needs to be taken and supporting policies and regulations need to be developed, e.g., on the safe use of organic farm waste and wastewater in smallholder agriculture to contribute towards achieving key Sustainable Development Goals of the United Nations. The relevant goals are Goal 2 (Zero hunger), Goal 7 (Affordable and clean energy), and Goal 15 (Life on land). None of the un-trained smallholder households lives under the conditions that these goals intend to prescribe. Only one-third of the trained farming households is one step closer to achieving these targets. To counteract this, a roadmap may serve as a starting point for future initiatives to develop coherent policies and science-based guidelines.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme haben eine lange Tradition in Ostafrika. In der Kagera-Region im Nordwesten Tansanias entwickelten sich über Jahrhunderte hinweg ertragreiche Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme in kleinbäuerlicher Landwirtschaft. Die Böden der Hausgärten waren durch die kontinuierliche Zugabe von kompostierten organischen Abfällen dunkel, humusreich und fruchtbar. Jedoch verlor dieses nachhaltige Agroforstsystem in der Kagera-Region in den letzten 50 Jahren zunehmend an Bedeutung. Die Gründe dafür waren in erster Linie der rasche Anstieg der Bevölkerung seit der Unabhängigkeit Tansanias in den 1960er-Jahren sowie der Zustrom von Flüchtlingen in den 1990er-Jahren. Beides führte zu einer Erhöhung der Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Baumaterial und Brennholz, die noch immer wichtigste Energiequelle zum Kochen mit einhergehender Degradierung, massiver Entwaldung sowie nachlassender Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und das Auslassen notwendiger Brachzeiten und Gründungen. Infolgedessen wurden den Böden über fünf Jahrzehnte mehr Nährstoffe entzogen als zugefügt, was zu einer Abnahme der Bodenfruchtbarkeit führte. Die Ernteerträge aller ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen sind zurückgegangen und die Böden sowie die Vegetation der Hausgärten sind teilweise stark degradiert. Seitdem sind die Ernährungssicherheit und der Wohlstand der lokalen Bevölkerung sowie die für Tansanias Wirtschaft wichtigen Exporte von Bananen (Musa L.) und Kaffee (Coffea canephora L. var. robusta) aus der Kagera-Region gefährdet. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob der jetzigen Degradierung der Hausgärten, die für die Ernährungssicherung der Bevölkerung entscheidend sind, durch eine erneute, stärkere und nachhaltige Einbindung organischer Abfälle entgegengewirkt werden kann und so wie einst multifunktionale, nachhaltige und fruchtbare Agroforstsysteme entstehen können. Dieses Ziel wurde in drei untergeordnete Ziele unterteilt: (1) das Verständnis des Ist-Zustandes des organischen Abfallmanagements im Forschungsgebiet, (2) die Untersuchung von Modifikationsmöglichkeiten für nachhaltige Bananen-Kaffee-basierte Agrarforstsysteme sowie (3) die Evaluierung der Optimierungsmöglichkeiten des organischen Abfallmanagements zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Für jedes Ziel wurde eine Forschungsfrage entwickelt: (1) Inwieweit werden die organischen Abfälle bereits genutzt (Ist-Zustand) und kann abgeschätzt werden, ob das momentane Abfallmanagement ausreicht, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktion von Nahrungsmitteln und Energieträgern zu erhöhen und damit die Armut zu reduzieren; (2) Ob und wie das derzeitige Management organischer Abfälle verbessert werden könnte, um die Bodenfruchtbarkeit und die Biomasseproduktion zu erhöhen; (3) Ob und wie negative Nährstoffbilanzen in positive umgewandelt werden können, wenn das organische Abfallmanagement in den Anbausystemen optimiert und verbessert in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf integriert werden würde. Zur Beantwortung der ersten Frage wurden 150 kleinbäuerliche Haushalte zu ihrer aktuellen landwirtschaftlichen Produktion, der Verfügbarkeit und Aufbereitung von organischen Abfällen sowie deren Verwendung im Anbau der wichtigsten ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen befragt. Die Befragung umfasste geografische und ökonomische Daten sowie haushaltsbezogene und landwirtschaftliche Informationen in Bezug auf den Wasser-Boden-Abfall-Nexus und den Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Nexus. Mit den erhobenen Daten wurde eine expertenbasierte Typologie der befragten Haushalte erstellt, um diese nach ihrer Biomasseproduktion sowie der Nutzung von organischen Abfällen zu kategorisieren. Bezüglich der zweiten Frage wurden fünf Fokusgruppendiskussionen mit den Ausbildern und Ausbilderinnen einer lokalen Bauernschule durchgeführt, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehr als 700 kleinbäuerliche Haushalte in nachhaltiger Landwirtschaft schulten. Dabei wurde ebenfalls eine expertenbasierte Typologie der geschulten Haushalte erstellt. Beide Haushaltstypologien wurden hingehend ihrer Biomasseproduktion, organischen Abfallnutzung und Wohlstandes miteinander verglichen. Im Rahmen der dritten Fragestellung wurden die Nährstoffkreisläufe der Hausgärten von geschulten und nicht geschulten Bauernhaushalten analysiert. Dabei wurden folgende Szenarien berücksichtigt: S0: der normale Betrieb ohne Änderungen (Ist-Zustand); S1: die Nutzung von 80 % des verfügbaren menschlichen Urins; S2: die Einarbeitung von 0,5 Tonnen pro Jahr der krautigen Leguminosenart Crotalaria grahamiana in den Boden; S3: die Produktion von jährlich 5 Kubikmetern CaSa-Kompost, bestehend aus menschlichen Ausscheidungen und Biokohle, und dessen Ausbringung auf 600 Quadratmetern in den Hausgärten; und S4: eine Kombination aus S1, S2 und S3. Entsprechende Daten wurden der Literatur entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbindung organischer Abfälle auch in degradierten Bananen-Kaffee-basierten Anbausystemen noch immer eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Bodenfruchtbarkeitsmanagement spielt, jedoch zu einem niedrigeren Ausmaß als noch vor 50 Jahren. An Bedeutung verlor dabei auch die traditionelle Weitergabe des Wissens über Kompostierung durch erschwerte sozio-ökonomische Bedingungen. Generell wurde festgestellt, dass Kleinbauernfamilien, die organische Abfälle auf ihren Feldern ausbringen, höhere landwirtschaftliche Erträge erzielen. Das Potenzial zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit wird dabei jedoch aktuell nicht vollständig ausgeschöpft, und nur ein Drittel der herkömmlichen kleinbäuerlichen Haushalte erzielt einen den Lebensumständen annähernd angemessenen Lebensunterhalt (Ist-Zustand). Ein weiteres Drittel der ungeschulten Haushalte nutzt organische Dünger zu einem geringeren Ausmaß und erzielt deswegen und wegen weiterer Schwächen im landwirtschaftlichen Management geringere Ernteerträge. Sie sind damit stärker armutsgefährdet als die erstgenannte Gruppe. Jedoch sind v. a. Haushalte, die von alleinerziehenden Frauen geführt werden (ebenfalls ein Drittel der befragten Haushalte), am stärksten von Ernährungsunsicherheit und Armut betroffen. Dabei spielen problematische, sozio-ökonomische Hintergründe eine erschwerende Rolle. Um das Ausmaß dieser Armutsspirale zu verringern, entwickelte eine lokale Bauernschule eine umfangreiche Ausbildung im Bereich nachhaltiger Landwirtschaft. Die erfolgreiche Implementierung der Ausbildung in die eigene Produktion hat die Lebensgrundlage von mindestens einem Drittel der geschulten Bauernhaushalte deutlich verbessert. Erfolgreich umgesetztes Wissen haben dazu geführt, dass degradierte Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme sich zunehmend zu multifunktionalen Agroforstsystemen entwickeln. Hierdurch hat sich nur für ein Drittel der ausgebildeten Bauern bereits die Lage signifikant verbessert. Ein weiteres Drittel befindet sich noch in dem Transformationsprozess. Ihre Erträge bleiben jedoch unter denen der ersten Gruppe. Die dritte Gruppe innerhalb der geschulten Bauernhaushalte konnte das erworbene Wissen wiederum nicht oder nur kaum in die Praxis umsetzen. Diese Gruppe bleibt in Bezug auf Ernährungssicherheit, Einkommens-diversifizierung und Zugang zu Bildung stark vulnerabel. Im Vergleich der Nährstoffbilanzen der Hausgärten zwischen den geschulten und den ungeschulten Bauernhaushalten zeigen erstere eher eine positive Nährstoffbilanz als letztere. Obwohl sich die Nährstoffbilanzen der Felder ungeschulter Haushalte unter allen Managementszenarien verbessern würden, würden sie jedoch noch negativ bleiben, insbesondere für Stickstoff. Darüber hinaus sind die Nährstoffkreisläufe in den Hausgärten aller Familien nicht geschlossen, da ein Großteil der Nährstoffe aus der Umgebung importiert wird, z. B. durch die Verwendung von Futtermittel aus dem umliegenden Grasland.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 29

Bodenqualitätsprobleme in der Berg-bauregion von Gatumba, Ruanda

Aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte wird in Ruanda fast die gesamte Fläche intensiv landwirtschaftlich genutzt. Die im Rahmen einer Pilotstudie 2007/08 in der Bergbauregion Gatumba erzielten Ergeb-nisse haben gezeigt, dass die Böden (Cambisole, Gleysole, Fluvisole, Nitisole, Lixisole und Umbrisole) bis auf Ausnah-men relativ geringe Gehalte an organischer Substanz (C und N) und größtenteils extrem geringe Vorräte an verfügbarem P aufweisen. Die Böden der zum Teil landwirtschaftlich genutzten Bergbauhalden (Technosole) sind i.d.R. extrem nährstoffarm und wei-sen ebenso wie durch den Bergbau beeinflusste Böden der Umgebung zum Teil erhöhte Gehalte an As und Cd auf

Integration of Organic Farm Waste into Smallholder Banana-Coffee-Based Farming Systems in the Kagera Region, NW Tanzania

In the studied Kagera region (NW Tanzania), smallholder banana-coffee-based farming systems developed over hundreds of years. To this day, they traditionally consist of four components: the older and younger homegardens (kibanja and kikamba in the local Bantu language), woodland (kabira), and grassland (rweya). The management of organic farm waste has played an essential role in maintaining soil fertility, diversity, and agricultural productivity in these agroforestry systems. However, rapid population growth since Tanzania’s independence in the 1960s, an influx of refugees in the 1990s, and accompanying environmental degradation have shaped large parts of the study region. As a result, farm sizes, crop yields, and food security have declined, soils and farming systems have degraded, and impoverishment has increased. The overall objective of this study was to investigate whether degraded homegardens can be transformed back into multifunctional, sustainable, and fertile agroforestry systems through sustainable organic farm waste management. Organic farm waste embraced crop and tree residues, kitchen and food waste including cooking ash (as inorganic residue), livestock manure and urine, animal bones, as well as human faeces and urine. The objective was subdivided into three targets and related research foci: (1) to understand the status quo of organic farm waste management in the research area, (2) to evaluate modification options for sustainable banana-coffee-based systems, and (3) to evaluate an optimisation of organic farm waste management to increase agricultural production. An interview of 150 smallholder households on the current availability and uses of organic farm waste was conducted (1). The survey encompassed geographical variables, economic data, and household and agricultural information relating to the Water-Soil-Waste Nexus and the Water-Energy-Food Nexus. A farm household typology was constructed to categorise the farm households according to their biomass production and use of organic farm waste. Five focus group discussions were held in a local farmer field school to evaluate training on sustainable land use management (2). The farmer field school had trained about 750 farm households in de-graded banana-coffee-based farming systems in the last two decades. Also here, a typology construction of trained farm households was created. Both typologies were compared to each other. Nutrient cycles of the homegardens of trained and untrained farm house-holds were calculated (3) using the following scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr-1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr-1 of CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 of land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. Results revealed that integrated organic farm waste management still plays a key role in farm nutrient and soil fertility management in these farming systems, but to a lower extent than in the past (status quo). Smallholder farmers that apply organic farm waste to their fields – using in situ, pit, ring-hole, and mixed composting techniques – have higher yields. However, the knowledge on waste management – traditionally passed on from generation to generation – has declined. Today, only one-third of these households earn a reasonable living from their agricultural products. Female-led households with a high age-dependency ratio and farmers with problematic socio-economic backgrounds continue to be the most vulnerable to food insecurity. In comparison, the implementation of training on sustainable land-use management has considerably improved farmers’ livelihoods. Successfully implemented knowledge on sustainable soil and farm nutrient management, including the modification of composting techniques, afforestation, selection of appropriate crop and tree species, improved labour allocation and time management, agricultural record-keeping, as well as gender-responsive communication and decision-making, has led to a transition: from degraded agricultural to multifunctional agroforestry systems. However, also here, one-third of the trained farmers has hardly transformed at all and has remained vulnerable to difficulties with food security, income diversification, and access to education. Comparing the nutrient balance between the homegardens of untrained and trained households, the homegardens of trained households are more likely to have a positive nutrient balance than those of untrained ones. Although untrained households would improve the nutrient balance under all management scenarios, their nutrient balances do not actually turn positive, especially not for nitrogen. Besides, nutrient cycles in the homegardens of all households remain ‘open’ because farmers currently import nutrients from the surrounding area, e.g., through fodder from the grassland. To overcome this dependency, short-term nutrient deficiencies might be alleviated with a precise application of mineral fertiliser and by fostering zero grazing. However, limited access to mineral fertiliser, labour-intensive manure collection and compost production against a background of land scarcity, labour shortage, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances, remain major challenges. To conclude, action needs to be taken and supporting policies and regulations need to be developed, e.g., on the safe use of organic farm waste and wastewater in smallholder agriculture to contribute towards achieving key Sustainable Development Goals of the United Nations. The relevant goals are Goal 2 (Zero hunger), Goal 7 (Affordable and clean energy), and Goal 15 (Life on land). None of the un-trained smallholder households lives under the conditions that these goals intend to prescribe. Only one-third of the trained farming households is one step closer to achieving these targets. To counteract this, a roadmap may serve as a starting point for future initiatives to develop coherent policies and science-based guidelines.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme haben eine lange Tradition in Ostafrika. In der Kagera-Region im Nordwesten Tansanias entwickelten sich über Jahrhunderte hinweg ertragreiche Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme in kleinbäuerlicher Landwirtschaft. Die Böden der Hausgärten waren durch die kontinuierliche Zugabe von kompostierten organischen Abfällen dunkel, humusreich und fruchtbar. Jedoch verlor dieses nachhaltige Agroforstsystem in der Kagera-Region in den letzten 50 Jahren zunehmend an Bedeutung. Die Gründe dafür waren in erster Linie der rasche Anstieg der Bevölkerung seit der Unabhängigkeit Tansanias in den 1960er-Jahren sowie der Zustrom von Flüchtlingen in den 1990er-Jahren. Beides führte zu einer Erhöhung der Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Baumaterial und Brennholz, die noch immer wichtigste Energiequelle zum Kochen mit einhergehender Degradierung, massiver Entwaldung sowie nachlassender Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und das Auslassen notwendiger Brachzeiten und Gründungen. Infolgedessen wurden den Böden über fünf Jahrzehnte mehr Nährstoffe entzogen als zugefügt, was zu einer Abnahme der Bodenfruchtbarkeit führte. Die Ernteerträge aller ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen sind zurückgegangen und die Böden sowie die Vegetation der Hausgärten sind teilweise stark degradiert. Seitdem sind die Ernährungssicherheit und der Wohlstand der lokalen Bevölkerung sowie die für Tansanias Wirtschaft wichtigen Exporte von Bananen (Musa L.) und Kaffee (Coffea canephora L. var. robusta) aus der Kagera-Region gefährdet. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob der jetzigen Degradierung der Hausgärten, die für die Ernährungssicherung der Bevölkerung entscheidend sind, durch eine erneute, stärkere und nachhaltige Einbindung organischer Abfälle entgegengewirkt werden kann und so wie einst multifunktionale, nachhaltige und fruchtbare Agroforstsysteme entstehen können. Dieses Ziel wurde in drei untergeordnete Ziele unterteilt: (1) das Verständnis des Ist-Zustandes des organischen Abfallmanagements im Forschungsgebiet, (2) die Untersuchung von Modifikationsmöglichkeiten für nachhaltige Bananen-Kaffee-basierte Agrarforstsysteme sowie (3) die Evaluierung der Optimierungsmöglichkeiten des organischen Abfallmanagements zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Für jedes Ziel wurde eine Forschungsfrage entwickelt: (1) Inwieweit werden die organischen Abfälle bereits genutzt (Ist-Zustand) und kann abgeschätzt werden, ob das momentane Abfallmanagement ausreicht, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktion von Nahrungsmitteln und Energieträgern zu erhöhen und damit die Armut zu reduzieren; (2) Ob und wie das derzeitige Management organischer Abfälle verbessert werden könnte, um die Bodenfruchtbarkeit und die Biomasseproduktion zu erhöhen; (3) Ob und wie negative Nährstoffbilanzen in positive umgewandelt werden können, wenn das organische Abfallmanagement in den Anbausystemen optimiert und verbessert in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf integriert werden würde. Zur Beantwortung der ersten Frage wurden 150 kleinbäuerliche Haushalte zu ihrer aktuellen landwirtschaftlichen Produktion, der Verfügbarkeit und Aufbereitung von organischen Abfällen sowie deren Verwendung im Anbau der wichtigsten ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen befragt. Die Befragung umfasste geografische und ökonomische Daten sowie haushaltsbezogene und landwirtschaftliche Informationen in Bezug auf den Wasser-Boden-Abfall-Nexus und den Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Nexus. Mit den erhobenen Daten wurde eine expertenbasierte Typologie der befragten Haushalte erstellt, um diese nach ihrer Biomasseproduktion sowie der Nutzung von organischen Abfällen zu kategorisieren. Bezüglich der zweiten Frage wurden fünf Fokusgruppendiskussionen mit den Ausbildern und Ausbilderinnen einer lokalen Bauernschule durchgeführt, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehr als 700 kleinbäuerliche Haushalte in nachhaltiger Landwirtschaft schulten. Dabei wurde ebenfalls eine expertenbasierte Typologie der geschulten Haushalte erstellt. Beide Haushaltstypologien wurden hingehend ihrer Biomasseproduktion, organischen Abfallnutzung und Wohlstandes miteinander verglichen. Im Rahmen der dritten Fragestellung wurden die Nährstoffkreisläufe der Hausgärten von geschulten und nicht geschulten Bauernhaushalten analysiert. Dabei wurden folgende Szenarien berücksichtigt: S0: der normale Betrieb ohne Änderungen (Ist-Zustand); S1: die Nutzung von 80 % des verfügbaren menschlichen Urins; S2: die Einarbeitung von 0,5 Tonnen pro Jahr der krautigen Leguminosenart Crotalaria grahamiana in den Boden; S3: die Produktion von jährlich 5 Kubikmetern CaSa-Kompost, bestehend aus menschlichen Ausscheidungen und Biokohle, und dessen Ausbringung auf 600 Quadratmetern in den Hausgärten; und S4: eine Kombination aus S1, S2 und S3. Entsprechende Daten wurden der Literatur entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbindung organischer Abfälle auch in degradierten Bananen-Kaffee-basierten Anbausystemen noch immer eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Bodenfruchtbarkeitsmanagement spielt, jedoch zu einem niedrigeren Ausmaß als noch vor 50 Jahren. An Bedeutung verlor dabei auch die traditionelle Weitergabe des Wissens über Kompostierung durch erschwerte sozio-ökonomische Bedingungen. Generell wurde festgestellt, dass Kleinbauernfamilien, die organische Abfälle auf ihren Feldern ausbringen, höhere landwirtschaftliche Erträge erzielen. Das Potenzial zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit wird dabei jedoch aktuell nicht vollständig ausgeschöpft, und nur ein Drittel der herkömmlichen kleinbäuerlichen Haushalte erzielt einen den Lebensumständen annähernd angemessenen Lebensunterhalt (Ist-Zustand). Ein weiteres Drittel der ungeschulten Haushalte nutzt organische Dünger zu einem geringeren Ausmaß und erzielt deswegen und wegen weiterer Schwächen im landwirtschaftlichen Management geringere Ernteerträge. Sie sind damit stärker armutsgefährdet als die erstgenannte Gruppe. Jedoch sind v. a. Haushalte, die von alleinerziehenden Frauen geführt werden (ebenfalls ein Drittel der befragten Haushalte), am stärksten von Ernährungsunsicherheit und Armut betroffen. Dabei spielen problematische, sozio-ökonomische Hintergründe eine erschwerende Rolle. Um das Ausmaß dieser Armutsspirale zu verringern, entwickelte eine lokale Bauernschule eine umfangreiche Ausbildung im Bereich nachhaltiger Landwirtschaft. Die erfolgreiche Implementierung der Ausbildung in die eigene Produktion hat die Lebensgrundlage von mindestens einem Drittel der geschulten Bauernhaushalte deutlich verbessert. Erfolgreich umgesetztes Wissen haben dazu geführt, dass degradierte Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme sich zunehmend zu multifunktionalen Agroforstsystemen entwickeln. Hierdurch hat sich nur für ein Drittel der ausgebildeten Bauern bereits die Lage signifikant verbessert. Ein weiteres Drittel befindet sich noch in dem Transformationsprozess. Ihre Erträge bleiben jedoch unter denen der ersten Gruppe. Die dritte Gruppe innerhalb der geschulten Bauernhaushalte konnte das erworbene Wissen wiederum nicht oder nur kaum in die Praxis umsetzen. Diese Gruppe bleibt in Bezug auf Ernährungssicherheit, Einkommens-diversifizierung und Zugang zu Bildung stark vulnerabel. Im Vergleich der Nährstoffbilanzen der Hausgärten zwischen den geschulten und den ungeschulten Bauernhaushalten zeigen erstere eher eine positive Nährstoffbilanz als letztere. Obwohl sich die Nährstoffbilanzen der Felder ungeschulter Haushalte unter allen Managementszenarien verbessern würden, würden sie jedoch noch negativ bleiben, insbesondere für Stickstoff. Darüber hinaus sind die Nährstoffkreisläufe in den Hausgärten aller Familien nicht geschlossen, da ein Großteil der Nährstoffe aus der Umgebung importiert wird, z. B. durch die Verwendung von Futtermittel aus dem umliegenden Grasland.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 29

Integration of Organic Farm Waste into Smallholder Banana-Coffee-Based Farming Systems in the Kagera Region, NW Tanzania

In the studied Kagera region (NW Tanzania), smallholder banana-coffee-based farming systems developed over hundreds of years. To this day, they traditionally consist of four components: the older and younger homegardens (kibanja and kikamba in the local Bantu language), woodland (kabira), and grassland (rweya). The management of organic farm waste has played an essential role in maintaining soil fertility, diversity, and agricultural productivity in these agroforestry systems. However, rapid population growth since Tanzania’s independence in the 1960s, an influx of refugees in the 1990s, and accompanying environmental degradation have shaped large parts of the study region. As a result, farm sizes, crop yields, and food security have declined, soils and farming systems have degraded, and impoverishment has increased. The overall objective of this study was to investigate whether degraded homegardens can be transformed back into multifunctional, sustainable, and fertile agroforestry systems through sustainable organic farm waste management. Organic farm waste embraced crop and tree residues, kitchen and food waste including cooking ash (as inorganic residue), livestock manure and urine, animal bones, as well as human faeces and urine. The objective was subdivided into three targets and related research foci: (1) to understand the status quo of organic farm waste management in the research area, (2) to evaluate modification options for sustainable banana-coffee-based systems, and (3) to evaluate an optimisation of organic farm waste management to increase agricultural production. An interview of 150 smallholder households on the current availability and uses of organic farm waste was conducted (1). The survey encompassed geographical variables, economic data, and household and agricultural information relating to the Water-Soil-Waste Nexus and the Water-Energy-Food Nexus. A farm household typology was constructed to categorise the farm households according to their biomass production and use of organic farm waste. Five focus group discussions were held in a local farmer field school to evaluate training on sustainable land use management (2). The farmer field school had trained about 750 farm households in de-graded banana-coffee-based farming systems in the last two decades. Also here, a typology construction of trained farm households was created. Both typologies were compared to each other. Nutrient cycles of the homegardens of trained and untrained farm house-holds were calculated (3) using the following scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr-1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr-1 of CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 of land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. Results revealed that integrated organic farm waste management still plays a key role in farm nutrient and soil fertility management in these farming systems, but to a lower extent than in the past (status quo). Smallholder farmers that apply organic farm waste to their fields – using in situ, pit, ring-hole, and mixed composting techniques – have higher yields. However, the knowledge on waste management – traditionally passed on from generation to generation – has declined. Today, only one-third of these households earn a reasonable living from their agricultural products. Female-led households with a high age-dependency ratio and farmers with problematic socio-economic backgrounds continue to be the most vulnerable to food insecurity. In comparison, the implementation of training on sustainable land-use management has considerably improved farmers’ livelihoods. Successfully implemented knowledge on sustainable soil and farm nutrient management, including the modification of composting techniques, afforestation, selection of appropriate crop and tree species, improved labour allocation and time management, agricultural record-keeping, as well as gender-responsive communication and decision-making, has led to a transition: from degraded agricultural to multifunctional agroforestry systems. However, also here, one-third of the trained farmers has hardly transformed at all and has remained vulnerable to difficulties with food security, income diversification, and access to education. Comparing the nutrient balance between the homegardens of untrained and trained households, the homegardens of trained households are more likely to have a positive nutrient balance than those of untrained ones. Although untrained households would improve the nutrient balance under all management scenarios, their nutrient balances do not actually turn positive, especially not for nitrogen. Besides, nutrient cycles in the homegardens of all households remain ‘open’ because farmers currently import nutrients from the surrounding area, e.g., through fodder from the grassland. To overcome this dependency, short-term nutrient deficiencies might be alleviated with a precise application of mineral fertiliser and by fostering zero grazing. However, limited access to mineral fertiliser, labour-intensive manure collection and compost production against a background of land scarcity, labour shortage, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances, remain major challenges. To conclude, action needs to be taken and supporting policies and regulations need to be developed, e.g., on the safe use of organic farm waste and wastewater in smallholder agriculture to contribute towards achieving key Sustainable Development Goals of the United Nations. The relevant goals are Goal 2 (Zero hunger), Goal 7 (Affordable and clean energy), and Goal 15 (Life on land). None of the un-trained smallholder households lives under the conditions that these goals intend to prescribe. Only one-third of the trained farming households is one step closer to achieving these targets. To counteract this, a roadmap may serve as a starting point for future initiatives to develop coherent policies and science-based guidelines.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme haben eine lange Tradition in Ostafrika. In der Kagera-Region im Nordwesten Tansanias entwickelten sich über Jahrhunderte hinweg ertragreiche Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme in kleinbäuerlicher Landwirtschaft. Die Böden der Hausgärten waren durch die kontinuierliche Zugabe von kompostierten organischen Abfällen dunkel, humusreich und fruchtbar. Jedoch verlor dieses nachhaltige Agroforstsystem in der Kagera-Region in den letzten 50 Jahren zunehmend an Bedeutung. Die Gründe dafür waren in erster Linie der rasche Anstieg der Bevölkerung seit der Unabhängigkeit Tansanias in den 1960er-Jahren sowie der Zustrom von Flüchtlingen in den 1990er-Jahren. Beides führte zu einer Erhöhung der Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Baumaterial und Brennholz, die noch immer wichtigste Energiequelle zum Kochen mit einhergehender Degradierung, massiver Entwaldung sowie nachlassender Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und das Auslassen notwendiger Brachzeiten und Gründungen. Infolgedessen wurden den Böden über fünf Jahrzehnte mehr Nährstoffe entzogen als zugefügt, was zu einer Abnahme der Bodenfruchtbarkeit führte. Die Ernteerträge aller ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen sind zurückgegangen und die Böden sowie die Vegetation der Hausgärten sind teilweise stark degradiert. Seitdem sind die Ernährungssicherheit und der Wohlstand der lokalen Bevölkerung sowie die für Tansanias Wirtschaft wichtigen Exporte von Bananen (Musa L.) und Kaffee (Coffea canephora L. var. robusta) aus der Kagera-Region gefährdet. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob der jetzigen Degradierung der Hausgärten, die für die Ernährungssicherung der Bevölkerung entscheidend sind, durch eine erneute, stärkere und nachhaltige Einbindung organischer Abfälle entgegengewirkt werden kann und so wie einst multifunktionale, nachhaltige und fruchtbare Agroforstsysteme entstehen können. Dieses Ziel wurde in drei untergeordnete Ziele unterteilt: (1) das Verständnis des Ist-Zustandes des organischen Abfallmanagements im Forschungsgebiet, (2) die Untersuchung von Modifikationsmöglichkeiten für nachhaltige Bananen-Kaffee-basierte Agrarforstsysteme sowie (3) die Evaluierung der Optimierungsmöglichkeiten des organischen Abfallmanagements zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Für jedes Ziel wurde eine Forschungsfrage entwickelt: (1) Inwieweit werden die organischen Abfälle bereits genutzt (Ist-Zustand) und kann abgeschätzt werden, ob das momentane Abfallmanagement ausreicht, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktion von Nahrungsmitteln und Energieträgern zu erhöhen und damit die Armut zu reduzieren; (2) Ob und wie das derzeitige Management organischer Abfälle verbessert werden könnte, um die Bodenfruchtbarkeit und die Biomasseproduktion zu erhöhen; (3) Ob und wie negative Nährstoffbilanzen in positive umgewandelt werden können, wenn das organische Abfallmanagement in den Anbausystemen optimiert und verbessert in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf integriert werden würde. Zur Beantwortung der ersten Frage wurden 150 kleinbäuerliche Haushalte zu ihrer aktuellen landwirtschaftlichen Produktion, der Verfügbarkeit und Aufbereitung von organischen Abfällen sowie deren Verwendung im Anbau der wichtigsten ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen befragt. Die Befragung umfasste geografische und ökonomische Daten sowie haushaltsbezogene und landwirtschaftliche Informationen in Bezug auf den Wasser-Boden-Abfall-Nexus und den Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Nexus. Mit den erhobenen Daten wurde eine expertenbasierte Typologie der befragten Haushalte erstellt, um diese nach ihrer Biomasseproduktion sowie der Nutzung von organischen Abfällen zu kategorisieren. Bezüglich der zweiten Frage wurden fünf Fokusgruppendiskussionen mit den Ausbildern und Ausbilderinnen einer lokalen Bauernschule durchgeführt, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehr als 700 kleinbäuerliche Haushalte in nachhaltiger Landwirtschaft schulten. Dabei wurde ebenfalls eine expertenbasierte Typologie der geschulten Haushalte erstellt. Beide Haushaltstypologien wurden hingehend ihrer Biomasseproduktion, organischen Abfallnutzung und Wohlstandes miteinander verglichen. Im Rahmen der dritten Fragestellung wurden die Nährstoffkreisläufe der Hausgärten von geschulten und nicht geschulten Bauernhaushalten analysiert. Dabei wurden folgende Szenarien berücksichtigt: S0: der normale Betrieb ohne Änderungen (Ist-Zustand); S1: die Nutzung von 80 % des verfügbaren menschlichen Urins; S2: die Einarbeitung von 0,5 Tonnen pro Jahr der krautigen Leguminosenart Crotalaria grahamiana in den Boden; S3: die Produktion von jährlich 5 Kubikmetern CaSa-Kompost, bestehend aus menschlichen Ausscheidungen und Biokohle, und dessen Ausbringung auf 600 Quadratmetern in den Hausgärten; und S4: eine Kombination aus S1, S2 und S3. Entsprechende Daten wurden der Literatur entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbindung organischer Abfälle auch in degradierten Bananen-Kaffee-basierten Anbausystemen noch immer eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Bodenfruchtbarkeitsmanagement spielt, jedoch zu einem niedrigeren Ausmaß als noch vor 50 Jahren. An Bedeutung verlor dabei auch die traditionelle Weitergabe des Wissens über Kompostierung durch erschwerte sozio-ökonomische Bedingungen. Generell wurde festgestellt, dass Kleinbauernfamilien, die organische Abfälle auf ihren Feldern ausbringen, höhere landwirtschaftliche Erträge erzielen. Das Potenzial zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit wird dabei jedoch aktuell nicht vollständig ausgeschöpft, und nur ein Drittel der herkömmlichen kleinbäuerlichen Haushalte erzielt einen den Lebensumständen annähernd angemessenen Lebensunterhalt (Ist-Zustand). Ein weiteres Drittel der ungeschulten Haushalte nutzt organische Dünger zu einem geringeren Ausmaß und erzielt deswegen und wegen weiterer Schwächen im landwirtschaftlichen Management geringere Ernteerträge. Sie sind damit stärker armutsgefährdet als die erstgenannte Gruppe. Jedoch sind v. a. Haushalte, die von alleinerziehenden Frauen geführt werden (ebenfalls ein Drittel der befragten Haushalte), am stärksten von Ernährungsunsicherheit und Armut betroffen. Dabei spielen problematische, sozio-ökonomische Hintergründe eine erschwerende Rolle. Um das Ausmaß dieser Armutsspirale zu verringern, entwickelte eine lokale Bauernschule eine umfangreiche Ausbildung im Bereich nachhaltiger Landwirtschaft. Die erfolgreiche Implementierung der Ausbildung in die eigene Produktion hat die Lebensgrundlage von mindestens einem Drittel der geschulten Bauernhaushalte deutlich verbessert. Erfolgreich umgesetztes Wissen haben dazu geführt, dass degradierte Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme sich zunehmend zu multifunktionalen Agroforstsystemen entwickeln. Hierdurch hat sich nur für ein Drittel der ausgebildeten Bauern bereits die Lage signifikant verbessert. Ein weiteres Drittel befindet sich noch in dem Transformationsprozess. Ihre Erträge bleiben jedoch unter denen der ersten Gruppe. Die dritte Gruppe innerhalb der geschulten Bauernhaushalte konnte das erworbene Wissen wiederum nicht oder nur kaum in die Praxis umsetzen. Diese Gruppe bleibt in Bezug auf Ernährungssicherheit, Einkommens-diversifizierung und Zugang zu Bildung stark vulnerabel. Im Vergleich der Nährstoffbilanzen der Hausgärten zwischen den geschulten und den ungeschulten Bauernhaushalten zeigen erstere eher eine positive Nährstoffbilanz als letztere. Obwohl sich die Nährstoffbilanzen der Felder ungeschulter Haushalte unter allen Managementszenarien verbessern würden, würden sie jedoch noch negativ bleiben, insbesondere für Stickstoff. Darüber hinaus sind die Nährstoffkreisläufe in den Hausgärten aller Familien nicht geschlossen, da ein Großteil der Nährstoffe aus der Umgebung importiert wird, z. B. durch die Verwendung von Futtermittel aus dem umliegenden Grasland.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 29

Optimising Nutrient Cycles to Improve Food Security in Smallholder Farming Families—A Case Study from Banana-Coffee-Based Farming in the Kagera Region, NW Tanzania

In East Africa, soil nutrient depletion and low yields jeopardise the food security of smallholder farming families and exacerbate poverty. The main reasons for the depletion of soil nutrients are overuse due to population growth, limited land, and increasing uncertainty in agricultural production caused by climate change. This study aims to analyse and optimise nutrient flows and stocks in the homegardens of smallholder banana-coffee-based farming systems in the Kagera region in NW Tanzania. The plant nutrients nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) in plant-based biomass and organic farm waste are under investigation. We used data from a farm household survey (150 households) and from focus group discussions with 22 trainers who had been training about 750 farm households in sustainable land management (SLM) at a local farmer field school. In total, we identified six farm household types and calculated a nutrient balance (NB) for the homegardens of each household type. The NB was calculated for the following five management scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr−1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr−1 CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. The results show that the NB varies considerably depending on whether farmers have implemented the SLM training, apply nutrient-preserving manure collection and storage methods, and purchase fodder (imported nutrients), or whether they do not collect manure or do not purchase fodder. Trained farm households are more likely to have a positive NB than untrained households because they have already improved the nutrient management of their farms through the successful implementation of SLM practices. Untrained households would improve the NB in their homegardens under all management scenarios. However, the NB depends on labour-intensive manure collection and compost production, labour shortages, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances. As long as these constraints remain, nutrient deficiencies will not be overcome with mineral fertilisers alone, because soils have to be further enriched with organic matter first. In this paper, we also emphasise the importance of the system boundary, because only a complete NB can give an estimate of actual nutrient removal and the resulting nutrient demand (including removals by fodder and trees). Further improvements in the SLM training may be achieved by (i) measuring the current nutrient status of soils, (ii) analysing the need for the coexistence of free-range livestock on the grassland and zero-grazing in trained households, and (iii) conducting an in-depth analysis of the socio-economic differences between successful and unsuccessful households. In conclusion, if smallholder farmers were to integrate further improved SLM training and optimised nutrient management (S1 to S4), we assume that the NB would turn positive. Last but not least, the SLM training by the farmer field school may serve as a best-practice example for training and policy recommendations made by government institutions

Survey of 150 smallholder farm households in banana-coffee-based farming systems containing data on farm households, agricultural production and use of farm waste

This data set describes a survey in which 150 smallholder farming households participated in Karagwe and Kyerwa districts, Kagera region, Tanzania at the beginning of the rainy season between September and November 2017. The survey aimed to identify current uses of farm waste (including crop residues, food and kitchen waste, livestock manure and urine, cooking ash, animal bones, and human urine and faeces) and relate them to the agricultural production. Besides, this holistic survey encompasses gender-based household data. The data refers to two cropping seasons from September 2016 to August 2017 (12 months). The households have been selected after discussion with eight agricultural experts from Tanzania. All households were smallholder farming families in banana-coffee-based farming systems. All farms were affected by the degradation of vegetation and soil resources. They all reported that the productivity of their soils had been declined since they had started farming. None of the farmers applied mineral fertilizer to the soils, and none had received training in sustainable land use management yet, e.g., from a local farmer field school or governmental organization. The data set bases on a questionnaire that contained open and closed questions, a total of 54 questions, on household data, agricultural production and the use of organic farm waste. The original language of the survey was Swahili. If some farmers answered in local Haya languages, the answers were directly translated into Swahili and noted. After surveying, the answers were digitalized and translated into English. The dataset contains 130 quantitative/ qualitative variables. The original survey is attached to this data set. -- The study area is located between 1.0° to 2.1° S and 30.4° to 31.4° E in the Kagera region in NW Tanzania and covers seven wards of the Karagwe district (Kayanga, Nyakahanga, and Ndama wards in the Bugene division; Kituntu, Chanika, and Kihanga wards in the Kituntu division; and Nyaishozi ward in the Nyaishozi division), and six wards of the Kyerwa district (Isingiro ward in the Kaisho division; Kamuli, Kikukuru, and Kimuli wards in the Mabira division; and Nkwenda and Rukuraijo wards in the Nkwenda division). On the hilly terrain of the Karagwe Ankolean System, altitudes vary between 1,200 and 1,650 m above sea level. -- The study region is characterized by a bimodal rain pattern with annual rainfall between 716 and 1,286 mm (on average 982 mm ± 127 mm), and moderate temperatures with minimum mean temperatures between 11.6° C and 16.2° C and maximum between 24.6° C and 28.3 °C (Touber and Kanani, 1996; TMA, 2017). The rain falls during the Masika rainy season from March to May and the Vuli rainy season from October to January