Assessing trends in land use change in the Borana rangeland Ethiopia as one cause of greenhouse gas emissions and carbon sequestration variations

Landnutzungsänderungen sind eine wesentliche Ursache von Treibhausgasemissionen. Die Umwandlung von Ökosystemen mit permanenter natürlicher Vegetation hin zu Ackerbau mit zeitweise vegetationslosem Boden (z.B. nach der Bodenbearbeitung vor der Aussaat) führt häufig zu gesteigerten Treibhausgasemissionen und verminderter Kohlenstoffbindung. Weltweit dehnt sich Ackerbau sowohl in kleinbäuerlichen als auch in agro-industriellen Systemen aus, häufig in benachbarte semiaride bis subhumide Rangeland Ökosysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht Trends der Landnutzungsänderung im Borana Rangeland Südäthiopiens. Bevölkerungswachstum, Landprivatisierung und damit einhergehende Einzäunung, veränderte Landnutzungspolitik und zunehmende Klimavariabilität führen zu raschen Veränderungen der traditionell auf Tierhaltung basierten, pastoralen Systeme. Mittels einer Literaturanalyse von Fallstudien in ostafrikanischen Rangelands wurde im Rahmen dieser Studie ein schematisches Modell der Zusammenhänge von Landnutzung, Treibhausgasemissionen und Kohlenstofffixierung entwickelt. Anhand von Satellitendaten und Daten aus Haushaltsbefragungen wurden Art und Umfang von Landnutzungsänderungen und Vegetationsveränderungen an fünf Untersuchungsstandorten (Darito/Yabelo Distrikt, Soda, Samaro, Haralo, Did Mega/alle Dire Distrikt) zwischen 1985 und 2011 analysiert. In Darito dehnte sich die Ackerbaufläche um 12% aus, überwiegend auf Kosten von Buschland. An den übrigen Standorten blieb die Ackerbaufläche relativ konstant, jedoch nahm Graslandvegetation um zwischen 16 und 28% zu, während Buschland um zwischen 23 und 31% abnahm. Lediglich am Standort Haralo nahm auch „bare land“, vegetationslose Flächen, um 13% zu. Faktoren, die zur Ausdehnung des Ackerbaus führen, wurden am Standort Darito detaillierter untersucht. GPS Daten und anbaugeschichtlichen Daten von 108 Feldern auf 54 Betrieben wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS) mit thematischen Boden-, Niederschlags-, und Hangneigungskarten sowie einem Digitales Höhenmodell überlagert. Multiple lineare Regression ermittelte Hangneigung und geographische Höhe als signifikante Erklärungsvariablen für die Ausdehnung von Ackerbau in niedrigere Lagen. Bodenart, Entfernung zum saisonalen Flusslauf und Niederschlag waren hingegen nicht signifikant. Das niedrige Bestimmtheitsmaß (R²=0,154) weist darauf hin, dass es weitere, hier nicht erfasste Erklärungsvariablen für die Richtung der räumlichen Ausweitung von Ackerland gibt. Streudiagramme zu Ackergröße und Anbaujahren in Relation zu geographischer Höhe zeigen seit dem Jahr 2000 eine Ausdehnung des Ackerbaus in Lagen unter 1620 müNN und eine Zunahme der Schlaggröße (>3ha). Die Analyse der phänologischen Entwicklung von Feldfrüchten im Jahresverlauf in Kombination mit Niederschlagsdaten und normalized difference vegetation index (NDVI) Zeitreihendaten dienten dazu, Zeitpunkte besonders hoher (Begrünung vor der Ernte) oder niedriger (nach der Bodenbearbeitung) Pflanzenbiomasse auf Ackerland zu identifizieren, um Ackerland und seine Ausdehnung von anderen Vegetationsformen fernerkundlich unterscheiden zu können. Anhand der NDVI Spektralprofile konnte Ackerland gut Wald, jedoch weniger gut von Gras- und Buschland unterschieden werden. Die geringe Auflösung (250m) der Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI Daten führte zu einem Mixed Pixel Effect, d.h. die Fläche eines Pixels beinhaltete häufig verschiedene Vegetationsformen in unterschiedlichen Anteilen, was deren Unterscheidung beeinträchtigte. Für die Entwicklung eines Echtzeit Monitoring Systems für die Ausdehnung des Ackerbaus wären höher auflösende NDVI Daten (z.B. Multispektralband, Hyperion EO-1 Sensor) notwendig, um kleinräumig eine bessere Differenzierung von Ackerland und natürlicher Rangeland-Vegetation zu erhalten. Die Entwicklung und der Einsatz solcher Methoden als Entscheidungshilfen für Land- und Ressourcennutzungsplanung könnte dazu beitragen, Produktions- und Entwicklungsziele der Borana Landnutzer mit nationalen Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels durch Steigerung der Kohlenstofffixierung in Rangelands in Einklang zu bringen.

Potential mitigation of midwest grass-finished beef production emissions with soil carbon sequestration in the United States of America

Beef production can be environmentally detrimental due in large part to associated enteric methane (CH4) production, which contributes to climate change. However, beef production in well-managed grazing systems can aid in soil carbon sequestration (SCS), which is often ignored when assessing beef production impacts on climate change. To estimate the carbon footprint and climate change mitigation potential of upper Midwest grass-finished beef production systems, we conducted a partial life cycle assessment (LCA) comparing two grazing management strategies: 1) a non-irrigated, lightly-stocked (1.0 AU/ha), high-density (100,000 kg LW/ha) system (MOB) and 2) an irrigated, heavily-stocked (2.5 AU/ha), low-density (30,000 kg LW/ha) system (IRG). In each system, April-born steers were weaned in November, winter-backgrounded for 6 months and grazed until their endpoint the following November, with average slaughter age of 19 months and a 295 kg hot carcass weight. As the basis for the LCA, we used two years of data from Lake City Research Center, Lake City, MI. We included greenhouse gas (GHG) emissions associated with enteric CH4, soil N2O and CH4 fluxes, alfalfa and mineral supplementation, and farm energy use. We also generated results from the LCA using the enteric emissions equations of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). We evaluated a range of potential rates of soil carbon (C) loss or gain of up to 3 Mg C ha-1 yr-1. Enteric CH4 had the largest impact on total emissions, but this varied by grazing system. Enteric CH4 composed 62 and 66% of emissions for IRG and MOB, respectively, on a land basis. Both MOB and IRG were net GHG sources when SCS was not considered. Our partial LCA indicated that when SCS potential was included, each grazing strategy could be an overall sink. Sensitivity analyses indicated that soil in the MOB and IRG systems would need to sequester 1 and 2 Mg C ha-1 yr-1 for a net zero GHG footprint, respectively. IPCC model estimates for enteric CH4 were similar to field estimates for the MOB system, but were higher for the IRG system, suggesting that 0.62 Mg C ha-1 yr-1 greater SCS would be needed to offset the animal emissions in this case.

Soil organic carbon management for sustainable land use in Sudano-Sahelian West Africa

Judged by their negative nutrient balances, low soil cover and low productivity, the predominant agro-pastoral farming systems in the Sudano-Sahelian zone of West Africa are highly unsustainable for crop production intensification. With kaolinite as the main clay type, the cation exchange capacity of the soils in this region, often less than 1 cmol_c kg^-1 soil, depends heavily on the organic carbon (Corg) content. However, due to low carbon sequestration and to the microbe, termite and temperature-induced rapid turnover rates of organic material in the present land-use systems, Corg contents of the topsoil are very low, ranging between 1 and 8 g kg^-1 in most soils. For sustainable food production, the availability of phosphorus (P) and nitrogen (N) has to be increased considerably in combination with an improvement in soil physical properties. Therefore, the adoption of innovative management options that help to stop or even reverse the decline in Corg typically observed after cultivating bush or rangeland is of utmost importance. To maintain food production for a rapidly growing population, targeted applications of mineral fertilisers and the effective recycling of organic amendments as crop residues and manure are essential. Any increase in soil cover has large effects in reducing topsoil erosion by wind and water and favours the accumulation of wind-blown dust high in bases which in turn improves P availability. In the future decision support systems, based on GIS, modelling and simulation should be used to combine (i) available fertiliser response data from on-station and on-farm research, (ii) results on soil productivity restoration with the application of mineral and organic amendments and (iii) our present understanding of the cause-effect relationships governing the prevailing soil degradation processes. This will help to predict the effectiveness of regionally differentiated soil fertility management approaches to maintain or even increase soil Corg levels.

Connecting the Water and Carbon Cycles for the Generation of Food Security and Ecosystem Services

Water scarcity and food insecurity are pervasive issues in the developing world and are also intrinsically linked to one another. Through the connection of the water cycle and the carbon cycle this study illustrates that synergistic benefits can be realized by small scale farmers through the implementation of waste water irrigated agroforestry. The WaNuLCAS model is employed using La Huerta agroforestry site in Texcoco, South Central Mexico, as the basis for parameterization. The results of model simulations depicting scenarios of water scarcity and waste water irrigation clearly show that the addition of waste water greatly increases the agroforestry system’s generation of crop yields, above- and below-ground biomass, soil organic matter and carbon storage potential. This increase in carbon sequestration by the system translates into better local food security, diversified household income through payments for ecosystem services and contributes to the mitigation of global climate change.

Factors and mechanisms controlling soil organic carbon turnover in subsoils of agricultural sites

Two-third of the terrestrial C is stored in soils, and more than 50% of soil organic C (SOC) is stored in subsoils from 30 – 100 cm. Hence, subsoil is important as a source or sink for CO2 in the global carbon cycle. Especially the stable organic carbon (OC) is stored in subsoil, as several studies have shown that subsoil OC is of a higher average age than topsoil OC. However, there is still a lack of knowledge regarding the mechanisms of C sequestration and C turnover in subsoil. Three main factors are discussed, which possibly reduce carbon turnover rates in subsoil: Resource limitation, changes in the microbial community, and changes in gas conditions. The experiments conducted in this study, which aimed to elucidate the importance of the mentioned factors, focused on two neighbouring arable sites, with depth profiles differing in SOC stocks: One Colluvic Cambisol (Cam) with high SOC contents (8-12 g kg-1) throughout the profile and one Haplic Luvisol (Luv) with low SOC contents (3-4 g kg-1) below 30 cm depth. The first experiment was designed to gain more knowledge regarding the microbial community and its influence on carbon sequestration in subsoil. Soil samples were taken at four different depths on the two sites. Microbial biomass C (MBC) was determined to identify depth gradients in relation to the natural C availability. Bacterial and fungal residues as well as ergosterol were determined to quantify changes in the in the microbial community composition. Multi-substrate-induced-respiration (MSIR) was used to identify shifts in functional diversity of the microbial community. The MSIR revealed that substrate use in subsoil differed significantly from that in topsoil and also differed highly between the two subsoils, indicating a strong influence of resource limitations on microbial substrate use. Amino sugar analysis and the ratio of ergosterol to microbial biomass C showed that fungal dominance decreased with depth. The results clearly demonstrated that microbial parameters changed with depth according to substrate availability. The second experiment was an incubation experiment using subsoil gas conditions with and without the addition of C4 plant residues. Soil samples were taken from topsoil and subsoil of the two sites. SOC losses during the incubation, were not influenced by the subsoil gas conditions. Plant-derived C losses were generally stronger in the Cam (7.5 mg g-1), especially at subsoil gas conditions, than in the Luv (7.0 mg g-1). Subsoil gas conditions had no general effects on microbial measures with and without plant residue addition. However, the contribution of plant-derived MBC to total MBC was significantly reduced at subsoil gas conditions. This lead to the conclusion that subsoil gas conditions alter the metabolism of microorganisms but not the degradation of added plant residues is general. The third experiment was a field experiment carried out for two years. Mesh bags containing original soil material and maize root residues (C4 plant) were buried at three different depths at the two sites. The recovery of the soilbags took place 12, 18, and 24 months after burial. We determined the effects of these treatments on SOC, density fractions, and MBC. The mean residence time for maize-derived C was similar at all depths and both sites (403 d). MBC increased to a similar extent (2.5 fold) from the initial value to maximum value. This increase relied largely on the added maize root residues. However, there were clear differences visible in terms of the substrate use efficiency, which decreased with depth and was lower in the Luv than in the Cam. Hence freshly added plant material is highly accessible to microorganisms in subsoil and therefore equally degraded at both sites and depths, but its metabolic use was determined by the legacy of soil properties. These findings provide strong evidence that resource availability from autochthonous SOM as well as from added plant residues have a strong influence on the microbial community and its use of different substrates. However, under all of the applied conditions there was no evidence that complex substrates, i.e. plant residues, were less degraded in subsoil than in topsoil.

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.