Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse

Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten für die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausführliche Literaturübersicht zeigt den Stand der Forschung bezüglich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern für die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistationär betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfläche (RSA) für die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff ermöglicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosität von über 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von Übergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt für die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, für die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingeführt. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Sauerstoffkonzentration läßt sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. Über dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verläufe für die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfläche nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberflächenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberflächenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgeführt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus für die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfaßt 7 Elementarreaktionen, für welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Darüber hinaus werden reaktionskinetische Parameter für einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsansätze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.

The Corticiaceae (Basidiomycetes) in Taiwan

Geographically, Taiwan is an Island and situated in the northeast of Asia, on the western side of the Pacific Basin, at the southeast of main China, south of Japan, and north of the Philippines. The main topographic character is the longitudinally oriented mountainous area. More than 200 peaks rise above 3000 m. They departed Taiwan into two lowland areas, an eastern and western plain. Taiwan is departed into subtropical (north area) and tropical zone (south area), which have a warm and humid climate, due to the Tropic of Cancer passing through. The average annual temperature in the lowland amounts to 28°C (7~38°C). The temperate climate also presents in the mountainous areas. The tropical typhoons usually come in summer and bring heavy rain, while the monsoon seasons have an important effect on the regional rainfall distribution. The mean annual rainfall of Taiwan is about 2600 mm (1000~6700 mm); the mountainous areas receive more rain than the lowlands. In Taiwan, according to different temperature and vegetation, the ecological environments were given rise to vertical biotic zonations, and form five major types: highland snowfield, highland meadow, coniferous forest, deciduous forest, and tropical forest. Six National Parks in Taiwan are located in the mountainous areas, in the north, the south, and on Jinmen Island. The National Parks represent about 8.4% of the country area. In this study, the collection sites are situated in Yangmingshan, Shei-Pa, Yushan, and Kenting National Park. Due to the island isolation, the proportions of endemic species are great in Taiwan, which also presents a high biodiversity. There are 4255 species of vascular plants including 1133 endemic. 5936 species in 1276 genera of fungi are hitherto reported in Taiwan. Among them, 233 Corticiaceae species were recorded, over one third (79 species) of them are known only from Taiwan. The first fungal report in Taiwan is about Phytophthora cyperi, published by the Japanese researcher T. Kawakami in 1904. Therefore, the history of research about fungi in Taiwan is more than one hundred years old. An eminent Japanese mycologist K. Sawada made an intensive survey from 1919 to 1959, and reported 2464 fungi species in his eleven volumes of “Descriptive Catalogue of Formosan Fungi”. However, only a few species (21 species in 9 genera) of Corticiaceae were recorded. From 1973, Chen and Lin resumed the study on Corticiaceae, and also some other foreign mycologists contributed for this field after 1980. The German research group lead by Franz Oberwinkler from Tübingen University collected in Taiwan several times. They published a number of new species and new records. Since 1989, S. H. Wu, a Taiwanese mycologist, has published a great amount of reports on corticioid fungi from Taiwan. Corticioid fungi were made up by the large and heterogeneous unnatural family Corticiaceae and other resupinate fungi belonging to other natural families in the Agaricomycetes. Molecular studies have shown that corticioid genera are distributed across all major clades of Agaricomycetes indicating that the corticioid fungi represent a polyphyletic group. They have resupinate fruitbodies and similar habitats. Species are characterized by simple fruitbody, more or less effused, and present smooth, porioid, grandinioid to odontioid hymenial surface. The fruitbodies are differently colored and usually soft to tough. Most of the Corticiaceae species are wood-saprobic organisms and gain the energy from the decomposing of wood-substrate such as cellulose or lignin. Materials for this study were collected by the author and other mycologists in Taiwan during surveys in April and May 1996, and March 2007, using the spring season with its high humidity and warm climate which are optimal conditions for the development of fungi. For assembling, the convenience sampling method was used in this study. This approach was chosen because it enables to detect a high biodiversity in a short time, and also to find species with rare or patchy distribution. The collecting sites from the North to the South include four National Parks and some preserved forests. They cover many different habitats such as low lands and high mountains. Fresh specimens were dried and analysed with a light microscope. 265 specimens belonging to Corticiaceae were studied in this research. Among them, 50 species in 21 genera including 11 new records and 10 new species were described with text and drawing. Four new species are belonging to Hyphodontia (H. sp. nov. 1, H. sp. nov. 2, H. sp. nov. 3, and H. sp. nov. 4), four to Schizopora (Sch. sp. nov. 1, Sch. sp. nov. 2, Sch. sp. nov. 3, and Sch. sp. nov. 4), one in Trechispora (T. sp. nov. 1), and one in Tubulicrinis (T. sp. nov. 1). Species recorded as new are Aleurodiscus amorphus, Botryohypochnus isabellinus, Hyphodontia cineracea, Hyphodontia palmae, Hypochnicium vellereum, Merulius tremellosus, Metulodontia nivea, Paullicorticium ansatum, Phlebia radiata, Phlebiella ardosiaca, and Xylobolus frustulatus. Besides, Botryohypochnus, Merulius, Metulodontia, Paullicorticium, and Xylobolus are also newly recorded genera in Taiwan. The genus Hyphodontia presents the highest diversity with 20 out of 50 species recorded. The second important genus is Hyphoderma, however with only 5 species. This indicates that Hyphodontia and Hyphoderma have a higher ability to develop in variable environments and approximately shows the predominance of these two genera in Taiwanese Corticiaceae. There are 11 new records out of the 50 species recorded, representing 22%. Some species, e.g. Hypochnicium vellereum and Paullicorticium ansatum were in the past recorded only in Europe and North America with cold and temperate climate. The samples of them are for the first time found in the subtropical belt, and display some difference from those of temperate regions. These collections should be molecularly investigated to clarify if they represent the same species of temperate areas. Patchily distributed species, for example Phlebiella ardosiaca, previously known only in Europe, and Hyphodontia palmae collected only in Brazil, were first recorded in different continents. Two possibilities are indicated by these new records: they are worldwide species but very rare to be found, or the Taiwanese specimens are taxonomically different. More survey from other continents and molecular study for these collections should be done in the future to solve this question. The distribution of Corticiaceae in Taiwan presents the variations in the north, central, and south areas and shows the diversity in lowlands and high mountains. The results of this study provide the evidence that the temperate Corticiaceae species displays a wider distribution. Subtropical and tropical taxa probably have also high dispersal capacities, and could possibly be found in the future in neighboring areas such as China, Japan, Korea or South Asia, but this needs further researches. In the total of 50 species, 10 new taxa were described in this study, giving about 20%. Some new species (e.g. Hyphodontia sp. 1, Hyphodontia sp. 2, and Hyphodontia sp. 3) are very similar to known species (Hyphodontia sambuci and Hyphodontia formosana), and the distinctive characters of Schizopora sp. nov. 1 are intermediate between those of Schizopora paradoxa and Hyphodontia flavipora. Thus, these small differences between the new and known species, suggest that the speciation occurred when the fungi migrated into Taiwan, due to the high diversity of environment, and amounts of the endemic plants. Taiwan is an intermediate place for the south (tropical) fungal species to migrate and adapt to north (temperate) regions. The middle and high altitude environments in Taiwan offer good conditions for the fungal speciation and possibly the occurrence of physiological changes to adapt to the temperate climate. Thus Taiwan has an important position for the biogeography of Asia mycobiota. 5936 known species in Taiwan represent about only 20% of the estimated number (24000) of Taiwanese fungal taxa. In this study, the findings (22% new records and 20% new species) indicate that amounts of unknown fungi species are expected in Taiwan. The lack of knowledge indicates that many new species are awaiting description, and fungal survey in Taiwan remains in a Pioneer phase. The last three wide surveys of Corticiaceae researches took place 20 years before this study (Chen & Lin 1977, Lin & Chen 1989, Wu 1990). After previous important contributions, the present taxonomic study comprising 21 genera is the most extensive on Corticiaceae of Taiwan.

Mikrobielle Nutzung von Ernteresten in Bodensäulen und Litterbags

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflüsse der Bodenart und Einarbeitungstiefe von Streu auf die mikrobielle Nutzung und ihren Abbau. Anhand einer Kohlenstoffsequestrierung wurde die Verlagerung streubürtigen Kohlenstoffes in die Fraktionen CO2-C, SOC, extrahierbaren Kohlenstoff, Cmik und POM-C betrachtet. Aufgrund der Analyse der δ13C-CO2 Werte der Bodenrespiration, im Rahmen der Sequestrierung des streubürtigen Kohlenstoffes, war der Anteil der streubürtigen Bodenrespiration und somit die gesamte, zu erwartende Bodenrespiration bekannt. Durch die, bei der Kohlenstoffsequestrierung, ermittelten Werte konnte eine Plausibilitätsprüfung an vier Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration, auf ihre Genauigkeit und mögliche Artefakte hin, durchgeführt werden. Des Weiteren wurden in einem anschließenden Freilandversuch unter subtropischen Bedingungen die Einflüsse verschiedener Dünger und Feldfrüchte, in Abhängigkeit der Streuqualität, auf den Streuabbau und die mikrobielle Besiedelung hin untersucht. Im ersten Versuch (Kapitel 3), wurde anhand eines Säulenversuches der Einfluss der Einarbeitungstiefe, in Anhängigkeit der Bodenart, auf den Streuabbau untersucht. Dieses ist von großer Bedeutung, da auf landwirtschaftlich genutzten Flächen Streu und so genannte "Grüne Dünger" durch den Einsatz unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme, wie z.B. der Kreiselegge oder dem Wendepflug, in unterschiedliche Tiefen eingearbeitet werden. Die Verlagerung streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes per Pilzhyphen, über eine Distanz von bis zu 20 cm wurde innerhalb dieser Arbeit das erste Mal gezeigt. Bisherige Studien zeigten einzig einen Transport von streubürtigem Kohlenstoff per Pilzhyphen, über eine kurze Distanz von der Detritussphäre in den angrenzenden Boden. Der höhere Anteil streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes innerhalb der von der Streuschicht weiter entfernten Schichten im sandigen Boden, im Vergleich zum lehmigen Boden zeigte, dass das feine Porenvolumen des lehmigen Bodens den Transport Streubürtigen Kohlenstoffes per Pilzhyphen grundsätzlich behindert. Diese Annahme wurde durch die stärkere Abnahme des Anteils streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes, mit zunehmender Entfernung zur Streuschicht, im lehmigen Boden im Vergleich zum sandigen Boden unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass der sandige Boden zusätzlich durch die höhere Porosität eine erhöhte Sauerstoffdurchlässigkeit und somit, in den tieferen Schichten bessere Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen bietet als der lehmige Boden. Durch die Ausbreitung substratbürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes wurde im sandigen Boden mehr streubürtiger Kohlenstoff durch Mikroorganismen inkorporiert als im lehmigen Boden. Ein weiterer Grund für die geringere Verlagerung von streubürtigem Kohlenstoff in die mikrobielle Biomasse des lehmigen Bodens ist wahrscheinlich der bessere physikalische Schutz durch den höheren Tonanteil. Durch die Einarbeitung der Streu stieg in allen Ansätzen der Gehalt an Ergosterol, welcher ein wesentlicher Indikator für die Präsenz saprotropher Pilze ist. Besonders stark ausgeprägt war der Anstieg des Ergosterolgehaltes, sowie des Ergosterol / mikrobielle Biomasse C – Quotienten, wenn Streu in die untere Schicht (15 - 20 cm) ein-gearbeitet wurde. Diese tiefenspezifischen Unterschiede wurden bisher in noch keinem weiteren Versuch beobachtet und können auf die Entwicklung unterschiedlicher pilzlicher Gemeinschaften zurück zu führen sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass pilzliche Nekromasse in den oberen Bodenschichten schneller umgesetzt wird und somit bei der Ergosterolbestimmung nicht mit erfasst wird. Da der Umsatz der pilzlichen Nekromasse im porösen sandigen Boden, aufgrund der höheren Sauerstoffverfügbarkeit und des geringeren physikalischen Schutzes, vermutlich höher ist als im lehmigen Boden, wird diese Annahme durch den im sandigen Boden geringeren Gehalt an mikrobiellen Kohlenstoff unterstützt. Wie erwartet, überstieg die Mineralisation der Streu im sandigen Boden die der im lehmigen Boden. Jedoch anders als erwartet, unterschied sich die Mineralisation in Abhängigkeit der Einarbeitungstiefe, mit einer erhöhten Mineralisation bei Einarbeitung der Streu in 0 - 5 cm Tiefe, einzig im sandigen Boden. Die Berechnung des Ertragskoeffizienten zeigte, dass die Substratsnutzungseffizienz der Mikroorganismen im sandigen Boden signifikant geringer war als die im lehmigen Boden. Die Zugabe von Streu führte in beiden Böden, verstärkt jedoch im lehmigen Boden, zu einem positiven Priming Effekt, der in beiden Bö-den stärker ausgeprägt war, als Streu in 0–5 cm Tiefe eingearbeitet wurde. Trotz Abnahme der SOC-bürtigen mikrobiellen Biomasse stieg die Mineralisation des SOC stark an. Es ist anzunehmen, dass extrazelluläre Enzyme wie Cellulase und Lignin modifizierende Enzy-me, produziert von saprotrophen Pilzen, zum Abbau von Cellolose und Lignin der Streu, zum Teil sehr effizient SOC abbauen. Im zweiten Versuch (Kapitel 4) wurde anhand des gleichen Säulenversuches (Versuch 1; Kapitel 3) der Einfluss der Entfernung von CO2-hot-spots im Boden zur Bodenoberfläche, in Abhängigkeit der Bodenart, auf vier verschiedene Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration betrachtet. Zusätzlich wurde durch eine Plausibilitätsprüfung anhand der Kohlenstoffbilanz, basierend auf der in Versuch 1 durchgeführten Kohlenstoffsequestrierung, die Genauigkeit der vier Methoden in Abhängigkeit der Bodenart überprüft. Für beide Ansätze mit sandigem Boden zeigen IR und PAS eine deutliche Überschätzung der mit NaOH und GC bestimmten Bodenrespiration. Die Überschätzung durch IR ist dabei auf die durch die dynamische Haube verursachten Turbulenzen und deren Auswirkungen auf den porösen sandigen Boden zurück zu führen. Bei geringen Respirationsraten, wie bei der Kontrolle, zeigt die Messung mittels IR trotz Turbulenzen, verursacht durch den Ventilator der Haube, keine Überschätzung. Die Überschätzung durch PAS hingegen kann nicht auf Turbulenzen, verursacht durch die dynamische Haube, zurück geführt werden, da bei den Analysen mit PAS und GC identische Hauben, höher und größer als bei IR, eingesetzt wurden und die Bodenrespiration durch GC nicht überschätzt wurde. Im Gegensatz zu beiden sandigen Ansätzen überschätzt IR die Bodenrespiration im lehmigen Boden nicht. NaOH hingegen unterschätzt die Bodenrespiration, wenn Streu in 15-20 cm Tiefe des lehmigen Bodens eingearbeitet ist. Dieses ist dadurch zu erklären, dass, bedingt durch die geringere Porosität sowie das höhere Wasserhaltevermögen und dem daraus resultierenden geringeren Luft gefüllten Porenvolumen, die Diffusion von CO2 im lehmigen Boden langsamer ist als im sandigen Boden. Nach Absorption des CO2 der Haubenluft diffundiert das CO2 des CO2-hot-spots in 15-20 cm Tiefe, entlang des Diffusionsgradienten, aufgrund des Diffusionswiderstandes in lehmigen Boden langsamer zur Oberfläche als im sandigen Boden oder wenn der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche liegt. Da bei der Messung mit der dynamischen Haube diese nur kurz auf der Fläche verbleibt, beeinflusst der Diffusionsgradient diese Messungen nicht. Hinzukommt, dass bei den Messsystemen, die in Kombination mit der dynamischen Haube eingesetzt werden, im Gegensatz zur Absorption durch Lauge keine CO2 Abreicherung stattfindet und die Diffusion von CO2 aus dem Boden über lange Zeit bis zu hohen CO2 Konzentration in der Haube linear bleibt. Alle drei mit einer dynamischen Haube kombinierten Methoden zeigen mit Korrelations-koeffizienten zwischen 0,90 und 0,93 starke Korrelationen mit NaOH. Während PAS die Bodenrespiration im Verhältnis zu NaOH immer überschätzt, tritt eine Überschätzung durch GC nur bei Mineralisationsraten unter 500 mg m-2 h-1 und für IR bei Mineralisations-raten über 40 mg m-2 h-1 ein. Die Plausibilitätsprüfung zeigt, dass für sandigen Boden, mit NaOH und GC eine sehr exakte Wiederfindung von Kohlenstoff erreicht wird, wohingegen IR und PAS in der Wiederfindung von Kohlenstoff bei deutlich über 100 % liegen. Für den lehmigen Boden hingegen ist nach Entfernung der CO2-hot-spots zur Bodenoberfläche zu differenzieren. Befindet sich der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche ist die Wiederfindung von Kohlenstoff für NaOH, GC und IR sehr exakt. Befindet sich der CO2-hot-spot jedoch in 15-20 cm Tiefe, ist die Wiederfindung des Kohlenstoffes durch NaOH deutlich unter 100 %. Die Wiederfindung durch PAS liegt sowohl für den sandigen als auch für den lehmigen Boden immer deutlich über 100 %. Im dritten Versuch (Kapitel 5), wurde anhand eines Litterbag-Versuches im Norden des Omans, der Einfluss verschiedener Dünger und Feldfrüchte auf den Abbau von Streu auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Abhängigkeit der Streuqualität betrachtet. Bei dem Großteil bisheriger Streuabbauversuche, unter gemäßigten und subtropischen Klimaten, stand der Abbau von Streu im Wald im Fokus der Betrachtung. Die wenigen Versuche zum Streuabbau auf landwirtschaftlich genutzten Flächen beschränken sich auf die gemäßigten Klimate. Wohingegen der Abbau von Streu, sowie der Einfluss von Dünger und Feldfrucht unter subtropischen Bedingungen, zum ersten mal mit der vorliegenden Arbeit fokussiert wurde. Der Verlust an organischem Material war verglichen mit Versuchen un-ter gemäßigten Klimaten, bei allen vier Streuarten, generell hoch. Der höhere Abbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu ist auf Unterschiede der Streuqualität zurückzuführen. Neben der Verwertbarkeit durch Mikroorganismen beeinflusst die Streuqualität zusätzlich die "Schmackhaftigkeit" der Streu für Organismen der Mesofauna. Wodurch ein selektiver Transport und/oder Grazing von Mikroorganismen stattfindet. Der geringere Abbau der Luzernenstreu verglichen mit Maisstreu jedoch ist nicht auf die Streuqualität sondern auf die geringere mikrobielle Besiedelung der Luzernenstreu während der Versuchszeit zurückzuführen. Der Unterschied im Grad der mikrobiellen Besiedelung kann durch die erhobenen Daten nicht erklärt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Leguminosen Substanzen wie z.B. Polyphenole enthalten, welche die mikrobielle Biomasse und im Besonderen die pilzliche Biomasse in beachtlichem Umfang inhibitieren. Ebenso wenig ist der höhere Abbau von Weizenstreu verglichen mit Rapsstreu durch die Streuqualität zu begründen. Eine mögliche Erklärung für den geringeren Abbau der Rapsstreu kann ihr hoher Aluminium Gehalt sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass die Rapsstreu organische Substanzen wie Glucosinolate enthält, welche den mikrobiellen Streuabbau inhibitieren. Während der Hemicellulosegehalt am Ende des Versuches nicht durch die Streuqualität beeinflusst war, zeigten Cellulose und Lignin quali-tätsabhängige Effekte. Der stärkere Abbau von Cellulose bei Luzernen- und Maisstreu ist auf den anfänglich höheren Stickstoffgehalt zurückzuführen, wodurch die Produktion und Aktivität von Cellulose degradierenden Enzymen, wie Exo-Cellulase, Endo-Cellulase und Xylanase, anstieg. Es ist davon auszugehen, dass die Differenzen im Celluloseabbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu, neben Unterschieden im anfänglichen Stickstoffgehalt, auf den höheren Schutz von Cellulose durch Lignin in Raps- und Weizenstreu zurückzuführen sind. Während der initial geringe Stickstoffgehalt den Ligninabbau in Raps- und Weizenstreu unterstützt, ist die relative Anreicherung von Lignin in Luzernen- und Maisstreu hingegen auf den initial hohen Stickstoffgehalt zurückzuführen. Dem entgegen hat die Zusammensetzung weiterer Nährstoffe einen sehr geringen Effekt. Es ist jedoch möglich, dass stärkere Effekte durch den Eintrag von Boden in die Litterbags durch Organismen der Mesofauna, Wurzelwachstum oder physikalische Verlagerung überdeckt werden. Während unter organische Düngung, die pilzliche Biomasse ansteigt, fördert der leicht verfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung die Bildung bakterieller Biomasse. Der höher Gehalt an pilzlicher Biomasse unter organischer Düngung zeigte keinen generellen Effekt auf den Abbau von Kohlenstoff. Er führte jedoch zu einer Veränderung in der Streuzusammensetzung. Die verringerte Abnahme bzw. verstärkte Zunahme der Nährstoffgehalte bei organischer Düngung ist durch den Eintrag dünger-bürtiger Nährstoffe, im Besonderen durch die verstärkte Bildung pilzlicher Hyphen in die Litterbags hinein, zu erklären. Trotz höherer Gehalte an pilzlicher Biomasse war der Ligningehalt am Ende des Versuches unter organischer Düngung höher als unter mineralischer Düngung. Diese ist auf den Eintrag düngerbürtiger Pilze zurückzuführen, welche eine geringere Lignindegradierungseffizienz aufweisen. Der Einfluss der Feldfrucht auf den Streuabbau äußert sich durch höhere Gehalte mikrobieller und im Besonderen pilzlicher Biomasse, und durch geringere Gehalte an N, P, Ca, Na und K in, im Litterbag verbleiben-der Streu, unter dem Anbau von Mohrrüben. Der Anstieg der pilzlichen Biomasse führt, ebenso wie bei der organischen Düngung zu keinem generellen Anstieg der Kohlenstoffdegradation, zeigt jedoch einen selektiven Effekt auf den Abbau von Cellulose. Der Einfluss, sowohl auf die mikrobielle Biomasse, als auch auf den Nährstoffgehalt, zeigt die Bedeutung der Unterschiede im Wurzelwachstum, der Rhizodeposition sowie des Nährstoffbedarfs in Abhängigkeit der Feldfrucht. Trotz großer Unterschiede der Streuarten im anfänglichen Gehalt mikrobieller Biomasse war dieser am Ende des Versuches für alle Streuarten identisch. Dieses war Folge eines starken Anstiegs der pilzlichen Biomasse bei Luzernen- und Maisstreu sowie einer Abnahme der pilzlichen Biomasse bei Raps- und Weizenstreu, welche zuvor noch nicht beobachtet wurde. Dieses macht den Einfluss der anfänglichen mikrobiellen Biomasse auf deren Entwicklung während des Streuabbauprozesses im Boden deutlich. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der anfänglichen pilzlichen Biomasse der Raps- und Weizenstreu, welche sich unter gemäßigten Klimaten entwickelte, unter subtropischen Bedingungen nicht überlebensfähig war. Generell war der Streuabbau durch Pilze dominiert. Es zeigte sich jedoch, dass Unterschiede im Pflanzenmaterial einen Einfluss auf die bakterielle Biomasse hatten, Unterschiede in Düngung und Feldfrucht hingegen die pilzliche Biomasse und die bakterielle Biomasse beeinflussten.

The role of ligneous vegetation for livestock nutrition in the sub-Sahelian and Sudanian zones of West Africa: Potential effects of climate change

Climate change and variability in sub-Saharan West Africa is expected to have negative consequences for crop and livestock farming due to the strong dependence of these sectors on rainfall and natural resources, and the low adaptive capacity of crops farmers, agro-pastoralist and pastoralists in the region. The objective of this PhD research was to investigate the anticipated impacts of expected future climate change and variability on nutrition and grazing management of livestock in the prevailing extensive agro-pastoral and pastoral systems of the Sahelian and Sudanian zones of Burkina Faso. To achieve this, three studies were undertaken in selected village territories (100 km² each) in the southern Sahelian (Taffogo), northern Sudanian (Nobere, Safane) and southern Sudanian (Sokouraba) zone of the country during 2009 and 2010. The choice of two villages in the northern Sudanian zone was guided by the dichotomy between intense agricultural land use and high population density near Safane, and lower agricultural land use in the tampon zone between the village of Nobere and the National Park Kaboré Tambi of Pô. Using global positioning and geographical information systems tools, the spatio-temporal variation in the use of grazing areas by cattle, sheep and goats, and in their foraging behaviour in the four villages was assessed by monitoring three herds each per species during a one-year cycle (Chapter 2). Maximum itinerary lengths (km/d) were observed in the hot dry season (March-May); they were longer for sheep (18.8) and cattle (17.4) than for goats (10.5, p<0.05). Daily total grazing time spent on pasture ranged from 6 - 11 h with cattle staying longer on pasture than small ruminants (p<0.05). Feeding time accounted for 52% - 72% of daily time on pasture, irrespective of species. Herds spent longer time on pasture and walked farther distances in the southern Sahelian than the two Sudanian zones (p<0.01), while daily feeding time was longer in the southern Sudanian than in the other two zones (p>0.05). Proportional time spent resting decreased from the rainy (June - October) to the cool (November - February) and hot dry season (p<0.05), while in parallel the proportion of walking time increased. Feeding time of all species was to a significantly high proportion spent on wooded land (tree crown cover 5-10%, or shrub cover >10%) in the southern Sahelian zone, and on forest land (tree crown cover >10%) in the two Sudanian zones, irrespective of season. It is concluded that with the expansion of cropland in the whole region, remaining islands of wooded land, including also fields fallowed for three or more years with their considerable shrub cover, are particularly valuable pasturing areas for ruminant stock. Measures must be taken that counteract the shrinking of wooded land and forests across the whole region, including also active protection and (re)establishment of drought-tolerant fodder trees. Observation of the selection behaviour of the above herds of cattle and small ruminant as far as browse species were concerned, and interviews with 75 of Fulani livestock keepers on use of browse as feed by their ruminant stock and as remedies for animal disease treatment was undertaken (Chapter 3) in order to evaluate the consequence of climate change for the contribution of browse to livestock nutrition and animal health in the extensive grazing-based livestock systems. The results indicated that grazing cattle and small ruminants do make considerable use of browse species on pasture across the studied agro-ecological zones. Goats spent more time (p<0.01) feeding on browse species than sheep and cattle, which spent a low to moderate proportion of their feeding time on browsing in any of the study sites. As far as the agro-ecological zones were concerned, the contribution of browse species to livestock nutrition was more important in the southern Sahelian and northern Sudanian zone than the southern Sudanian zone, and this contribution is higher during the cold and hot dry season than during the rainy season. A total of 75 browse species were selected on pasture year around, whereby cattle strongly preferred Afzelia africana, Pterocarpus erinaceus and Piliostigma sp., while sheep and goats primarily fed on Balanites aegyptiaca, Ziziphus mauritiana and Acacia sp. Crude protein concentration (in DM) of pods or fruits of the most important browse species selected by goats, sheep and cattle ranged from 7% to 13% for pods, and from 10% to 18% for foliage. The concentration of digestible organic matter of preferred browse species mostly ranged from 40% to 60%, and the concentrations of total phenols, condensed tannins and acid detergent lignin were low. Linear regression analyses showed that browse preference on pasture is strongly related to its contents (% of DM) of CP, ADF, NDF and OM digestibility. Interviewed livestock keepers reported that browse species are increasingly use by their grazing animals, while for animal health care use of tree- and shrub-based remedies decreased over the last two decades. It is concluded that due to climate change with expected negative impact on the productivity of the herbaceous layer of communal pastures browse fodder will gain in importance for animal nutrition. Therefore re-establishment and dissemination of locally adapted browse species preferred by ruminants is needed to increase the nutritional situation of ruminant stock in the region and contribute to species diversity and soil fertility restoration in degraded pasture areas. In Chapter 4 a combination of household surveys and participatory research approaches was used in the four villages, and additionally in the village of Zogoré (southern Sahelian zone) and of Karangasso Vigué (northern Sudanian zone) to investigate pastoralists’ (n= 76) and agro-pastoralists’ (n= 83) perception of climate change, and their adaptation strategies in crop and livestock production at farm level. Across the three agro-ecological zones, the majority of the interviewees perceived an increase in maximum day temperatures and decrease of total annual rainfall over the last two decades. Perceptions of change in climate patterns were in line with meteorological data for increased temperatures while for total rainfall farmers’ views contrasted the rainfall records which showed a slight increase of precipitation. According to all interviewees climate change and variability have negative impacts on their crop and animal husbandry, and most of them already adopted some coping and adaptation strategies at farm level to secure their livelihoods and reduce negative impacts on their farming system. Although these strategies are valuable and can help crop and livestock farmers to cope with the recurrent droughts and climate variability, they are not effective against expected extreme climate events. Governmental and non-governmental organisations should develop effective policies and strategies at local, regional and national level to support farmers in their endeavours to cope with climate change phenomena; measures should be site-specific and take into account farmers’ experiences and strategies already in place.