Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Dimensionierung und Gestaltung von Laufställen für behornte Milchkühe unter Berücksichtigung des Herdenmanagements

Die Haltung von Milchkühen in einem Laufstall hat sich aus arbeitswirtschaftlichen und Kostengründen stark verbreitet. Im Biolandbau wird diese Entwicklung vor allem aufgrund der höheren Tiergerechtheit dieser Haltungsform forciert. Gleichzeitig werden die allermeisten Kühe für die Laufstallhaltung jedoch enthornt, unter anderem weil sich in den üblichen Ställen mit Normmassen und –konzepten Probleme mit Verletzungen unter den Tieren ergaben. Dabei sprechen die Richtlinien und Verordnungen für biologisch wirtschaftende Betriebe deutlich gegen zootechnische Eingriffe. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, zu prüfen, welche stallbaulichen Voraussetzungen eine Haltung horntragender Kühe im Laufstall gelingen lassen und mit welchen Managementmassnahmen diese optimiert werden kann. Dazu wurde zum einen in einer experimentellen Untersuchung an vier Kuhgruppen im cross-over-Design geprüft, wie sich ein gegenüber der Norm erhöhtes Platzangebot in verschiedenen Stallbereichen (Wartebereich: Crowding vs. unbeengt, Tier:Fressplatz-Verhältnis: 1:1 vs. 1:1,25, Liegefläche: 4,5 vs. 8,0 m2/Kuh, Laufhofffläche: 0 vs. 4,5 vs. 9,0 m2/Kuh) auf das (Sozial-)Verhalten behornter Kühe auswirkt, insbesondere auf das Ausmass an agonistischen Interaktionen und auf die Anzahl der Läsionen am Integument der Kühe. Zum anderen wurde in einer Praxiserhebung in 62 zumindest teilweise behornten Milchviehherden untersucht, welche Beziehungen zwischen dem Auftreten von Verletzungen und den Dimensionen und der Gestaltung der Laufställe sowie dem Herdenmanagement, der Mensch-Tier-Beziehung und den Charakteristika der Herde bestehen. Zudem wurden durch Interviews die in der Praxis vorrangig bestehenden Probleme eruiert und die Erfahrungen der Landwirte zusammengetragen. Im Experiment traten im Wartebereich beim grösseren Platzangebot statistisch auffällig (p=0,068) weniger agonistische Interaktionen unter den Kühen auf, die Zahl der Verletzungen zeigte keinen Unterschied. Im Fressbereich hatte eine Erhöhung der Anzahl Fressplätze keinen Einfluss. Eine grössere Liegefläche/Kuh auf der Tiefstreu hatte jedoch statistisch auffällig weniger agonistische Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie längere Liegezeiten und kürzere Stehzeiten (im Stall) pro Tag und damit gleichzeitig eine erhöhte Herdensynchronität zur Folge (p=0,068). Ebenso bewirkte ein erhöhtes Laufhofflächenangebot/Kuh eine geringere Häufigkeit an agonistischen Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie erhöhte Aufenthaltsdauern im Laufhof (jeweils p=0,068). In der Praxiserhebung konnten aus 113 Faktoren über Vorselektionen mittels univariaten Analysen (ANOVA) und multivariaten Regressionsanalysen in zwei Modellen multivariate Regressionsanalysen gerechnet werden, um die erklärenden Faktoren für die Variation der Verletzungen durch Hörner zu finden. Modell I (alle Betriebe, ohne Faktoren des Liegebereiches (Liegeboxenfaktoren)) wies einen Erklärungswert R2 von 0,825 und eine Signifikanz von p < 0,001 auf, Modell II (Liegeboxenbetriebe, alle Faktoren) einen Erklärungswert R2 von 0,882 und eine Signifikanz von p < 0,001. Als signifikante erklärende Faktoren für wenige Verletzungen verblieben in diesen Modellen der Stalltyp inkl. der Gliederung der Funktionsbereiche (unverbaut und übersichtlich mit klar getrennten Bereichen), eine hohe Anzahl Viehbürsten, breite Laufflächen, keine Hindernisse im Laufbereich, wenige Mitarbeiter, ein hoher Anteil eigener in die Herde eingegliederter Tiere, wenige Eingliederungen in den letzten sechs Wochen, die Rasse Fleckvieh, keine einzelnen unbehornten Kühe in der Herde und ein geringes Verletzungspotential der Hörner. Aus der Erfahrung der Landwirte ist der Fressbereich der Hauptproblembereich. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgernd sagen, dass ein Laufstall mit grosszügiger, deutlich über der Norm liegender Dimensionierung der flächigen Stallbereiche (Wartebereich, Liegefläche und Laufhoffläche/Kuh) für behornte Kühe günstige Haltungsbedingungen bietet. Engstellen hingegen bergen Konfliktpotential. Bei der Stallkonzeption muss eine klare Gliederung der Funktionsbereiche angestrebt werden, wenn Auseinandersetzungen vermieden werden sollen. Ein Tier:Fressplatz-Verhältnis von 1:1 mit ein paar Reserveplätzen scheint ausreichend, allerdings muss auf ein wirklich horngeeignetes Fressgitter mit sicherer Fixierung besonderen Wert gelegt werden. Im Management der Herde muss das Augenmerk vor allem auf das Vorgehen bei der Eingliederung von Tieren in die Herde gelegt werden. Da Eingliederungen das soziale Gefüge der Herde ändern, lassen sich mit möglichst wenig Eingliederungen von möglichst bekannten, also eigenen Tieren Auseinandersetzungen mit Verletzungen vermeiden. Günstig ist zudem, wenn nur eine Person die Herde betreut. Eine nur symptomatische, aber sehr effektive Massnahme zur Verringerung der Verletzungszahlen ist das Senken der Verletzungsgefahr der Hörner durch Entfernen spitzer Hornspitzen.

Socio-economic characterization of integrated cropping systems in urban and peri-urban agriculture of Faisalabad, Pakistan

Faisalabad city is surrounded by agricultural lands, where farmers are growing vegetables, grain crops, and fodder for auto-consumption and local marketing. To study the socioeconomic impact and resource use in these urban and peri-urban agricultural production (UPA) systems, a baseline survey was conducted during 2009–2010. A total of 140 households were selected using a stratified sampling method and interviewed with a structured questionnaire. The results revealed that 96 % of the households rely on agriculture as their main occupation. Thirty percent of the households were owners of the land and the rest cultivated either rented or sharecropped land. Most of the families (70 %) were headed by a member with primary education, and only 10 % of the household head had a secondary school certificate. Irrigationwater was obtained from waste water (37 %), canals (27 %), and mixed alternative sources (36 %). A total of 35 species were cultivated in the UPA systems of which were 65% vegetables, 15% grain and fodder crops, and 5% medicinal plants. Fifty-nine percent of the households cultivated wheat, mostly for auto-consumption. The 51 % of the respondents grew cauliflower (Brassica oleracea L.) and gourds (Cucurbitaceae) in the winter and summer seasons, respectively. Group marketing was uncommon and most of the farmers sold their produce at the farm gate (45 %) and on local markets (43 %). Seeds and fertilizers were available from commission agents and dealers on a credit basis with the obligation to pay by harvested produce. A major problem reported by the UPA farmers of Faisalabad was the scarcity of high quality irrigation water, especially during the hot dry summer months, in addition to lacking adequate quantities of mineral fertilizers and other inputs during sowing time. Half of the respondents estimated their daily income to be less than 1.25 US$ and spent almost half of it on food. Monthly average household income and expenses were 334 and 237 US$, respectively.

Vesicle motion during sustained exocytosis in chromaffin cells

Chromaffin cells release catecholamines by exocytosis, a process that includes vesicle docking, priming and fusion. Although all these steps have been intensively studied, some aspects of their mechanisms, particularly those regarding vesicle transport to the active sites situated at the membrane, are still unclear. In this work, we show that it is possible to extract information on vesicle motion in Chromaffin cells from the combination of Langevin simulations and amperometric measurements. We developed a numerical model based on Langevin simulations of vesicle motion towards the cell membrane and on the statistical analysis of vesicle arrival times. We also performed amperometric experiments in bovine-adrenal Chromaffin cells under Ba2+ stimulation to capture neurotransmitter releases during sustained exocytosis. In the sustained phase, each amperometric peak can be related to a single release from a new vesicle arriving at the active site. The amperometric signal can then be mapped into a spike-series of release events. We normalized the spike-series resulting from the current peaks using a time-rescaling transformation, thus making signals coming from different cells comparable. We discuss why the obtained spike-series may contain information about the motion of all vesicles leading to release of catecholamines. We show that the release statistics in our experiments considerably deviate from Poisson processes. Moreover, the interspike-time probability is reasonably well described by two-parameter gamma distributions. In order to interpret this result we computed the vesicles’ arrival statistics from our Langevin simulations. As expected, assuming purely diffusive vesicle motion we obtain Poisson statistics. However, if we assume that all vesicles are guided toward the membrane by an attractive harmonic potential, simulations also lead to gamma distributions of the interspike-time probability, in remarkably good agreement with experiment. We also show that including the fusion-time statistics in our model does not produce any significant changes on the results. These findings indicate that the motion of the whole ensemble of vesicles towards the membrane is directed and reflected in the amperometric signals. Our results confirm the conclusions of previous imaging studies performed on single vesicles that vesicles’ motion underneath plasma membranes is not purely random, but biased towards the membrane.