Untersuchungen zu Controlled Traffic Farming und satellitenbasierten Lenksystemen

Diese Arbeit behandelt Controlled Traffic Farming (CTF) Anbausysteme, bei denen für alle Arbeitsgänge satellitengesteuert immer dieselben Fahrspuren benutzt werden. Lässt sich mit CTF die Belastung des Bodens verringern und die Effizienz von Direktsaat-Anbausystemen steigern? Neben agronomischen und bodenphysikalischen Parametern wurden Auswirkungen von Lenksystemen und Umsetzungsmöglichkeiten von CTF in die Praxis untersucht. Die Analyse einer CTF-Umsetzung unter europäischen Bedingungen mit der Verwendung von Standardmaschinen zeigte, dass sich CTF-Anbausysteme mit den heute zur Verfügung stehenden Maschinen für Dauergrünland, Mähdruschfrüchte und Mais auf kleiner und grösser strukturierten Flächen relativ einfach mechanisieren lassen. Bei Zuckerrüben und Kartoffeln können Kompromisse notwendig sein. Generell erfordern CTF-Anbausysteme eine sorgfältige Planung und Umsetzung in die Praxis. Im dreijährigen Feldversuch (Winterweizen, Wintergerste, Kunstwiese mit Kleegrasmischung) auf einem Lehmboden wurde CTF-Direktsaat mit konventionell zufällig befahrenen Direktsaat- und Pflugverfahren verglichen. Unter CTF zeigte sich eine Differenzierung der nicht, gering und intensiv befahrenen Varianten. Auf dem vorliegenden kompakten Boden mit 1150 mm Jahresniederschlag waren die Unterschiede zwischen den nicht befahrenen Flächen und den mit niedrigem Kontaktflächendruck befahrenen Flächen eher gering. In den nicht befahrenen Flächen entwickelten Eindringwiderstand und Kohlendioxidgehalt der Bodenluft nach drei Jahren signifikant bessere Werte. Bodendichte und Porosität zeigten hingegen keinen eindeutig interpretierbaren Trend. Aufgrund teils suboptimaler Feldaufgänge liess sich keine generelle agronomische Tendenz ableiten. Die intensive Befahrung der Pflegefahrgassen zeigte allerdings klar negative bodenkundliche und planzenbauliche Auswirkungen. Es bietet sich daher an, vor allem für Pflegearbeiten permanent dieselben Fahrspuren zu nutzen. In der Untersuchung zu den Auswirkungen von Lenksystemen zeigten sich signifikante Vorteile von Lenksystemen in einer Verminderung der Fahrerbelastung und einer höheren Lenkgenauigkeit vor allem bei grossen Arbeitsbreiten ohne Spuranreisser. Die meisten anderen Messparameter waren mit Lenksystem leicht vorteilhafter als ohne, unterschieden sich aber nicht signifikant voneinander. Fahrer und naturräumliche Gegebenheiten wie die Schlagform hatten einen wesentlich grösseren Einfluss. Gesamthaft betrachtet erweitert CTF in Kombination mit weiteren Bodenschutzmass-nahmen die Möglichkeiten, Bodenverdichtungen zu vermeiden, den Bedarf an energieintensiver Bodenlocke-rung zu reduzieren und die Entwicklung einer stabileren Bodenstruktur mit höherer Tragfähigkeit zu fördern. Zusammen mit einer an Kultur und Anbausystem angepassten Saatbettbereitung und den in geraden Reihen einfacher durchführbaren mechanischen Pflegemassnahmen ergeben sich gute Voraussetzungen für die Gestaltung agronomisch leistungsfähiger und ökologisch nachhaltiger Anbausysteme.

Suppression of root-knot nematode through innovative mustard biofumigation

The nematicidal activity of mustard plant against hatching, migration and mortality of the root-knot nematode Meloidogyne javanica was investigated. In vitro test confirmed that mixing the sandy clay soil mixture with mustard as 4% as a biofumigant significantly reduce the percentage of egg hatching at all different incubation periods 24, 48, 72, 96 and 168 h, compared to control treatment (un-amended mixture soil and eggs in free water). Results indicate that the percentage of egg hatching reduction was 88.5, 90, 81.4, 74 and 69.4%, respectively. Mustard mixed with soil as a biofumigant led to high percentage of larval mortality at the different intervals periods in vitro. The percentage of larval mortality was 94, 100, 90.5, 90.5, and 79.4%, respectively compared to control. Laboratory results confirmed that the highest reduction in egg hatching and larval mortality was obtained after incubation period for 48 h. In vivo experiment reveals that the incorporation of the soil pots with mustard at all different doses used 3, 5% (48 h before nematode inoculation, or soil infestation with nematode), and 5% (one week before nematode inoculation or 7% of soil weight) significantly reduces all the nematode parameters compared to plant treated nematode alone. All nematode parameters i.e. the number of galls per root system, gall index, number of egg masses per root system, as well as number of juveniles per 250g soil showed high reduction with mixing the soil pots with mustard at 5% (one week before nematode inoculation), followed by the same treatment for 48h before nematode inoculation. Mustard application, one week before nematode inoculation, reduced the nematode parameters by 97, 64, 97, and 93%, respectively, compared to control. The percent of chemical components i.e. total sugars, total amino acids and total phenols were markedly enhanced compared to positive and negative control. The highest percentage was obtained with mustard at 5% one week before nematode inoculation by 68.7, 57.3 and 45%, respectively. Finally, we have to conclude that this modified technology is an innovative and can be used efficiently to control Root-knot nematode under organic agriculture and Global GAP agricultural systems instead of these carcinogenic nematicides.

Global Optimization Algorithms and their Application to Distributed Systems

In this report, we discuss the application of global optimization and Evolutionary Computation to distributed systems. We therefore selected and classified many publications, giving an insight into the wide variety of optimization problems which arise in distributed systems. Some interesting approaches from different areas will be discussed in greater detail with the use of illustrative examples.

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.

Lower Bounds for Nonforgetting Restarting Automata and CD-Systems of Restarting Automata

The nonforgetting restarting automaton is a generalization of the restarting automaton that, when executing a restart operation, changes its internal state based on the current state and the actual contents of its read/write window instead of resetting it to the initial state. Another generalization of the restarting automaton is the cooperating distributed system (CD-system) of restarting automata. Here a finite system of restarting automata works together in analyzing a given sentence, where they interact based on a given mode of operation. As it turned out, CD-systems of restarting automata of some type X working in mode =1 are just as expressive as nonforgetting restarting automata of the same type X. Further, various types of determinism have been introduced for CD-systems of restarting automata called strict determinism, global determinism, and local determinism, and it has been shown that globally deterministic CD-systems working in mode =1 correspond to deterministic nonforgetting restarting automata. Here we derive some lower bound results for some types of nonforgetting restarting automata and for some types of CD-systems of restarting automata. In this way we establish separations between the corresponding language classes, thus providing detailed technical proofs for some of the separation results announced in the literature.

Reverse pivoting in conceptual information systems

In database marketing, the behavior of customers is analyzed by studying the transactions they have performed. In order to get a global picture of the behavior of a customer, his single transactions have to be composed together. In On-Line Analytical Processing, this operation is known as reverse pivoting. With the ongoing data analysis process, reverse pivoting has to be repeated several times, usually requiring an implementation in SQL. In this paper, we present a construction for conceptual scales for reverse pivoting in Conceptual Information Systems, and also discuss the visualization. The construction allows the reuse of previously created queries without reprogramming and offers a visualization of the results by line diagrams.

Climate change and hunger as the challenges in the global food system

In the last decades, there has been a growing tendency towards international trade and globalisation, particularly leading to a significant increase in flows of agricultural commodities worldwide. From a macroeconomic perspective, the commodity projections are more optimistic than the previous years and the long run tendency shows an increasing demand for feedstock. However, the strong shifts of shocks and fluctuations (in terms of prices and volumes) are a concern to global food security, with the number of hungry people rising to nearly one billion. Agriculture is a main user of natural resources, and it has a strong link with rural societies and the environment. Forecasted impacts from climate change, limited productive endorsements and emerging rivals on crop production, such bio-energy, aggravate the panorama on food scarcity. In this context, it is a great challenge on farming and food systems to reduce global hunger and produce in sustainable ways adequate supplies for food, feed, and non-food uses. The main objective of this work is to question the sustainability of food and agriculture systems. It is particularly interesting to know its role and if it will be able to respond to a growing population with increasing food demand in a world where pressure on land, water and other natural resources are already evident, and, moreover, climate change will also condition and impact the outcome. Furthermore, a deeper focus will be set on developing countries, which are expected to emerge and take a leading role in the international arena. This short paper is structured as follows: Section I, “Introduction”, describes the social situation regarding hunger, Section II, “Global Context”, attempts to summarise the current scenario in the international trading scheme and present the emerging rivals for primary resources, and in Section III, “Climate Change”, presents an overview of possible changes in the sector and future perspectives in the field. Finally, in Section IV, “Conclusion”, the main conclusions are presented.

Ecosystem services and adaptation for agriculture and food security: analysis of two decades (1991–2011) of financing by the Global Environment Facility

Investing in global environmental and adaptation benefits in the context of agriculture and food security initiatives can play an important role in promoting sustainable intensification. This is a priority for the Global Environment Facility (GEF), created in 1992 with a mandate to serve as financial mechanism of several multilateral environmental agreements. To demonstrate the nature and extent of GEF financing, we conducted an assessment of the entire portfolio over a period of two decades (1991–2011) to identify projects with direct links to agriculture and food security. A cohort of 192 projects and programs were identified and used as a basis for analyzing trends in GEF financing. The projects and programs together accounted for a total GEF financing of US$1,086.8 million, and attracted an additional US$6,343.5 million from other sources. The value-added of GEF financing for ecosystem services and resilience in production systems was demonstrated through a diversity of interventions in the projects and programs that utilized US$810.6 million of the total financing. The interventions fall into the following four main categories in accordance with priorities of the GEF: sustainable land management (US$179.3 million), management of agrobiodiversity (US$113.4 million), sustainable fisheries and water resource management (US$379.8 million), and climate change adaptation (US$138.1 million). By aligning GEF priorities with global aspirations for sustainable intensification of production systems, the study shows that it is possible to help developing countries tackle food insecurity while generating global environmental benefits for a healthy and resilient planet.

The role of organic farming for food security: local nexus with a global view

A convergence of factors has made food security one of the most important global issues. It has been the core concept of the Milan Expo 2015, whose title, Feeding the Planet, Energy for Life, embodied the challenge to provide the world’s growing population with a sustainable, secure supply of safe, nutritious, and affordable high-quality food using less land with lower inputs. Meeting the food security agenda using current agricultural production techniques cannot be achieved without serious degradation to the environment, including soil degradation, loss of biodiversity and climate change. Organic farming is seen as a solution to the challenge of sustainable food production, as it provides more nutritious food, with less or no pesticide residues and lower use of inputs. A limit of organic farming is its restricted capability of producing food compared to conventional agriculture, thus being an inefficient approach to food production and to food security. The authors maintain, on the basis of a scientific literature review, that organic soils tend to retain the physical, chemical and biological properties over the long term, while maintaining stable levels of productivity and thereby ensuring long-term food production and safety. Furthermore, the productivity gap of organic crops may be worked out by further investment in research and in particular into diversification techniques. Moreover, strong scientific evidence indicates that organic agricultural systems deliver greater ecosystem services and social benefits.