Digital image analysis as a tool to estimate legume contributions in legume-grass swards

Summary: Productivity and forage quality of legume-grass swards are important factors for successful arable farming in both organic and conventional farming systems. For these objectives the botanical composition of the swards is of particular importance, especially, the content of legumes due to their ability to fix airborne nitrogen. As it can vary considerably within a field, a non-destructive detection method while doing other tasks would facilitate a more targeted sward management and could predict the nitrogen supply of the soil for the subsequent crop. This study was undertaken to explore the potential of digital image analysis (DIA) for a non destructive prediction of legume dry matter (DM) contribution of legume-grass mixtures. For this purpose an experiment was conducted in a greenhouse, comprising a sample size of 64 experimental swards such as pure swards of red clover (Trifolium pratense L.), white clover (Trifolium repens L.) and lucerne (Medicago sativa L.) as well as binary mixtures of each legume with perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Growth stages ranged from tillering to heading and the proportion of legumes from 0 to 80 %. Based on digital sward images three steps were considered in order to estimate the legume contribution (% of DM): i) The development of a digital image analysis (DIA) procedure in order to estimate legume coverage (% of area). ii) The description of the relationship between legume coverage (% area) and legume contribution (% of DM) derived from digital analysis of legume coverage related to the green area in a digital image. iii) The estimation of the legume DM contribution with the findings of i) and ii). i) In order to evaluate the most suitable approach for the estimation of legume coverage by means of DIA different tools were tested. Morphological operators such as erode and dilate support the differentiation of objects of different shape by shrinking and dilating objects (Soille, 1999). When applied to digital images of legume-grass mixtures thin grass leaves were removed whereas rounder clover leaves were left. After this process legume leaves were identified by threshold segmentation. The segmentation of greyscale images turned out to be not applicable since the segmentation between legumes and bare soil failed. The advanced procedure comprising morphological operators and HSL colour information could determine bare soil areas in young and open swards very accurately. Also legume specific HSL thresholds allowed for precise estimations of legume coverage across a wide range from 11.8 - 72.4 %. Based on this legume specific DIA procedure estimated legume coverage showed good correlations with the measured values across the whole range of sward ages (R2 0.96, SE 4.7 %). A wide range of form parameters (i.e. size, breadth, rectangularity, and circularity of areas) was tested across all sward types, but none did improve prediction accuracy of legume coverage significantly. ii) Using measured reference data of legume coverage and contribution, in a first approach a common relationship based on all three legumes and sward ages of 35, 49 and 63 days was found with R2 0.90. This relationship was improved by a legume-specific approach of only 49- and 63-d old swards (R2 0.94, 0.96 and 0.97 for red clover, white clover, and lucerne, respectively) since differing structural attributes of the legume species influence the relationship between these two parameters. In a second approach biomass was included in the model in order to allow for different structures of swards of different ages. Hence, a model was developed, providing a close look on the relationship between legume coverage in binary legume-ryegrass communities and the legume contribution: At the same level of legume coverage, legume contribution decreased with increased total biomass. This phenomenon may be caused by more non-leguminous biomass covered by legume leaves at high levels of total biomass. Additionally, values of legume contribution and coverage were transformed to the logit-scale in order to avoid problems with heteroscedasticity and negative predictions. The resulting relationships between the measured legume contribution and the calculated legume contribution indicated a high model accuracy for all legume species (R2 0.93, 0.97, 0.98 with SE 4.81, 3.22, 3.07 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The validation of the model by using digital images collected over field grown swards with biomass ranges considering the scope of the model shows, that the model is able to predict legume contribution for most common legume-grass swards (Frame, 1992; Ledgard and Steele, 1992; Loges, 1998). iii) An advanced procedure for the determination of legume DM contribution by DIA is suggested, which comprises the inclusion of morphological operators and HSL colour information in the analysis of images and which applies an advanced function to predict legume DM contribution from legume coverage by considering total sward biomass. Low residuals between measured and calculated values of legume dry matter contribution were found for the separate legume species (R2 0.90, 0.94, 0.93 with SE 5.89, 4.31, 5.52 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The introduced DIA procedure provides a rapid and precise estimation of legume DM contribution for different legume species across a wide range of sward ages. Further research is needed in order to adapt the procedure to field scale, dealing with differing light effects and potentially higher swards. The integration of total biomass into the model for determining legume contribution does not necessarily reduce its applicability in practice as a combined estimation of total biomass and legume coverage by field spectroscopy (Biewer et al. 2009) and DIA, respectively, may allow for an accurate prediction of the legume contribution in legume-grass mixtures.

Vorstellungen zu Zeiträumen der Evolution von Schülern der Oberstufe in Deutschland und Frankreich

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erhebung der Vorstellungen von Oberstufenschülern bezüglich der Zeitdimension in der Evolution. Daneben geht es um Vorstellungen zu Mechanismen und zu zentralen Ereignissen der Evolution. Einen wichtigen Schwerpunkt stellt der Vergleich der Vorstellungen zwischen deutschen und französischen Oberstufenschülern dar, mit dem Ziel, herauszufinden, ob und in welcher Form sich curriculare Unterschiede bemerkbar machen. In einem Seminar im Wintersemester 2008/2009 zum Thema „Evolutionsbiologie im Unterricht“ waren viele Studierende erstaunt darüber, wie schwer es ihnen fiel, die Zeiträume der Evolution erfahrbar zu machen. Aufgrund des durch diese Diskussion geweckten Interesses, die Vorstellungswelten der Schüler bezüglich der Zeiträume der Evolution zu erfassen, wurde die vorliegende quantitative Studie, die an eine qualitative zum Thema „Altersabhängige Schülervorstellungen zu Massensterbeereignissen in der Evolution. Eine Interviewstudie.“ anknüpft, aufgenommen. Zur Fragebogenentwicklung diente Literatur zur Forschungsmethode, aber auch Gespräche mit der Zielgruppe sowie die Daten der qualitativen Studie. Nach einem Probelauf und der Durchführung der Umfrage mit 158 deutschen und 129 französischen Schülern, wurden die Daten mit dem Computerprogramm SPSS ausgewertet. Selbst Schüler, in deren Unterricht Zeiträume der Evolution Thema war, verfügen nicht über realistische Vorstellungen, wie sich herausstellte, als sie diese benennen oder selbständig auf einem Zeitstrahl einzeichnen sollten. Allerdings hilft eine Veranschaulichung wie Kreisdiagramme bei realitätsnahen Einschätzungen. Gemäß des Lehrplans sind französische Schüler oft mit den Zeiträumen der Evolution im Unterricht konfrontiert. Trotzdem lassen sich bei ihnen keine realistischen Vorstellungen bezüglich der Zeitdimensionen vorfinden. Französische Schüler unterscheiden sich im Antwortverhalten von deutschen Schülern. Fragebögen der französischen Schüler vermitteln den Eindruck einer oberflächlichen Beantwortung. Die Lernenden scheinen sich nicht genau mit den Inhalten auseinandergesetzt zu haben, sie legen oft unreflektiert ihr Wissen oder ihre (teils unrealistischen) Vorstellungen dar. Zudem gehen französische Schüler eher als ihre deutschen Mitschüler den Arbeitsanweisungen nach. Bezüglich der Umstände, wie die Dinosaurier und andere Tiere ausgestorben sind, verfügen deutsche und französische Schüler über realistische Vorstellungen, was unter anderem auf die häufige Repräsentation in den Medien zurückgeführt wird. Überraschend viele Schüler stellen sich in Bezug auf die Menschwerdung verzweigte Stammeslinien vor, wobei finale Vorstellungen nur selten anzutreffen sind. Sie verfügen auch hier meist über realistische Vorstellungen. Es traten in der Untersuchung geschlechtsspezifische Unterschiede auf. Vorstellungen männlicher Schüler sind überwiegend realistischer als die der weiblichen Altersgenossen. Es ist abschließend anzumerken, dass Schüler aufgrund eines großen Interesses am Thema eine intensivere Behandlung des Themas Evolution im Biologieunterricht wünschen. Durch diese Untersuchung kommt es zu einem besseren Verständnis der Vorstellungswelten der Schüler bezüglich den Zeitdimensionen, den Mechanismen und zentralen Ereignissen der Evolution. Die Erkenntnisse können in der Unterrichtsvorbereitung und im Unterricht von Nutzen sein.

Urban Grass and Grass-Leaf Litter Mixtures as Source for Bioenergy Recovery

Städtische Biomassen der Grünflächen bilden eine potentielle, bisher weitgehend ungenutzte Ressource für Bioenergie. Kommunen pflegen die Grünflächen, lassen das Material aber verrotten oder führen es Deponien oder Müllverbrennungsanlagen zu. Diese Praxis ist kostenintensiv ohne für die Verwaltungen finanziellen Ausgleich bereitzustellen. Stattdessen könnte das Material energetisch verwertet werden. Zwei mögliche Techniken, um Bioenergie zu gewinnen, wurden mit krautigem Material des städtischen Straßenbegleitgrüns untersucht i) direkte anaerobe Fermentation (4 Schnitte im Jahr) und ii) „Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse“ (IFBB), die Biomasse durch Maischen und mechanisches Entwässern in einen Presssaft und einen Presskuchen trennt (2 Schnitte im Jahr). Als Referenz wurde die aktuelle Pflege ohne Verwertungsoption mitgeführt (8faches Mulchen). Zusätzlich wurde die Eignung von Gras-Laub-Mischungen im IFBB-Verfahren untersucht. Der mittlere Biomasseertrag war 3.24, 3.33 und 5.68 t Trockenmasse ha-1 jeweils für die Pflegeintensitäten Mulchen, 4-Schnitt- und 2-Schnittnutzung. Obwohl die Faserkonzentration in der Biomasse der 2-Schnittnutzung höher war als im Material der 4-Schnittnutzung, unterschieden sich die Methanausbeuten nicht signifikant. Der Presskuchen aus dem krautigen Material des Straßenbegleitgrüns hatte einen Heizwert von 16 MJ kg-1 Trockenmasse, während der Heizwert des Presskuchens der Gras-Laub-Mischung in Abhängigkeit vom Aschegehalt zwischen 15 und 17 MJ kg-1 Trockenmasse lag. Der Aschegehalt der Mischungen war höher als der Grenzwert nach DIN EN 14961-6:2012 (für nicht-holzige Brennstoffe), was auf erhöhte Bodenanhaftung auf Grund der Erntemethoden zurückzuführen sein könnte. Der Aschegehalt des krautigen Materials vom Straßenrand hielt die Norm jedoch ein. Die Elementkonzentration (Ca, Cl, K, Mg, N, Na, P, S, Al, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Si, Zn) im krautigen Material war generell ähnlich zu Landwirtschafts- oder Naturschutzgrünland. In den Mischungen nahm die Elementkonzentration (Al, Cl, K, N, Na, P, S, Si) mit zunehmendem Laubanteil ab. Die Konzentration von Ca, Mg und der Neutral-Detergenz-Fasern stieg hingegen an. Die IFBB-Technik reduzierte die Konzentrationen der in der Verbrennung besonders schädlichen Elemente Cl, K und N zuverlässig. Außer den potentiell hohen Aschegehalten, wurde während der Untersuchungen kein technischer Grund entdeckt, der einer energetischen Verwertung des getesteten urbanen Materials entgegenstehen würde. Ökonomische, soziale und ökologische Auswirkungen einer Umsetzung müssen beachtet werden. Eine oberflächliche Betrachtung auf Basis des bisherigen Wissens lässt hoffen, dass eine bioenergetische Verwertung städtischen Materials auf allen Ebenen nachhaltig sein könnte.