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.

A survey of wheat landraces in Oman

Little is known about the diversity of wheat (Triticum spp.) in Oman. Therefore, a survey was conducted in northern Oman to collect landraces of Triticum durum, T. aestivum and T. dicoccon for subsequent morphological characterization and investigations on stress adaptation. The results show that the cultivation of these landraces (the genetic composition of which remains to be studied in more detail) is done primarily by traditional farmers who preserve the inherited germplasm on often tiny plots in remote mountain oases. This type of traditional cultivation is under heavy economic pressure. An appendix of landraces of other crops collected in the Batinah region and in the mountain oases can be found online.

Analyzing Gene Centres with the Help of the Checklist Method – the Case of Syria

The present survey of species diversity of cultivated plants is the first for Syria. Some cultivated species will be added in the future, because due to the civil war in Syria, it was not possible to visit the country in the frame of the present work, as initially planned. Checklists proved to be a useful tool for overviewing the cultivated plants of selected areas and allow a characterization of the state of plant genetic resources of Syria. Syria has experienced several civilizations. Man settled in this productive land since ancient times and used its resources. However, such use has led to changes in vegetation and decline of wildlife through the country, in seashore areas, interior, mountains, and grassland. Plant domestication and growing started more than 10,000 years ago in West Asia. Since then, plentiful of economic plant species were present and used by man and his domesticated animals. Forming a part of the Fertile Crescent, where many of the world’s agricultural plants have evolved, Syria is extremely rich in agrobiodiversity. Wild progenitors of wheat and barley and wild relatives of many fruit trees such as almonds and pistachio as well as forage species are still found in marginal lands and less disturbed areas. These are threatened by a wide range of human activities, notably modern, extensive agriculture, overgrazing, overcutting and urban expansion. Syria is also considered as part of one of the main centres of origin, according to Vavilov, who had collected in Syria in 1926. The first expeditions to crop fields showed the exclusive nature of cultivated plants in Syria with a high number of endemic forms. Furthermore, Syria is a part of a biodiversity hotspot. Several studies have been performed to study agrobiodiversity in different parts of Syria, but usually on wild species. Many collections have been carried out; however, they focussed preferably on cereals and pulses, and particularly on wheat, like Vavilov’s expedition. Only 30 crops make up the major part of the conserved Syrian crop plant material in the genebank, indicating that most of the remaining 7,000 species of cultivated plants and many other valuable genetic resources species have only been included on a limited scale in the genebank collections. Although a small country (185,180 km2), Syria accommodates numerous ecosystems that allow for a large diversity of plant genetic resources for agriculture ranging from cold-requiring to subtropical crops to live and thrive. Only few references are available in this respect. The aim of the present study was to complete a checklist of Syria’s cultivated plants of agriculture and horticulture excluding plants only grown as ornamental or for forestry. Furthermore, plants taken for reforestation have not been included, if they do not have also agricultural or horticultural uses. Therefore, the inclusion of plants into the checklist follows the same principles as “Mansfeld’s Encyclopedia”. Main sources of information were published literature, floras of Syria, Lebanon and the Mediterranean, as well as Syrian printed sources in Arabic and/or English, reports from FAO on agricultural statistics in Syria, and data from ICARDA and Bioversity International. In addition, personal observations gathered during professional work in the General Commission for Scientific Agricultural Research (GCSAR) in Syria (since 1989) and participation in projects were taken into account. These were: (1) A project on “Conservation and Sustainable Use of Dry Land Agrobiodiversity in the Near East” with participation of Jordan, Lebanon, Syria, and the Palestinian Authority, focussing on landraces and wild relatives of barley, wheat, lentil, alliums, feed legumes, and fruit trees (1999–2005). (2) A project for vegetable landraces (1993–1995) in collaboration with the former International Plant Genetic Resources Institute and the UN Development Programme, in which 380 local vegetable accessions were evaluated. For medicinal plants and fruit trees I was in personal contact with departments of GCSAR and the Ministry of Agriculture and Agrarian Reform, as well as with private organizations. The resulting checklist was compared with the catalogues of crop plants of Italy and a checklist of cultivated plants of Iraq. The cultivated plant species are presented in alphabetical order according to their accepted scientific names. Each entry consists of a nomenclatural part, folk names, details of plant uses, the distribution in Syria (by provinces), a textual description, and references to literature. In total, 262 species belonging to 146 genera and 57 families were identified. Within-species (intraspecific) diversity is a significant measure of the biodiversity. Intraspecific diversity for wild plants has been and remains to be well studied, but for crop plants there are only few results. Mansfeld’s method is an actual logical contribution to such studies. Among the families, the following have the highest number of crop species: Leguminosae (34 spp.), Rosaceae (24), Gramineae (18), Labiatae (18), Compositae (14), Cruciferae (14), Cucurbitaceae (11), Rutaceae (10), Malvaceae (9), Alliaceae (7), and Anacardiaceae (7). The establishment of an effective programme for the maintenance of plant genetic resources in Syria started in the mid-1970s. This programme considered ex situ and in situ collection of the genetic resources of various field crops, fruit trees and vegetables. From a plant genetic resources viewpoint, it is clear that the homegarden is an important location for the cultivation of so-called neglected and underutilized species (neglected from a research side and underutilized from a larger economic side). Such species have so far not received much care from ecologists, botanists and agronomists, and they are considerably under-represented in genebanks.