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.

Economic evaluation of proposed pure and mixed stands in Central Vietnam highlands

In comparison with mixed forest stands, the cultivation of pure plantations in Vietnam entails serious ecological consequences such as loss of biodiversity and higher rate of soil erosion. The economic evaluation is elaborated between pure plantations and mixed forests where the fast-growing tree species are mixed with slow growing tree species which are planted in stripes separating the segments with fast-growing tree species (Acacia sp.). For the evaluation, the input values were used from local costs of goods, services and labour. The results show that the internal rate of return is the highest in the case of pure plantation in comparison with mixed forests – 86% to 77%(first planting pattern: Acacia sp. + noble hardwood species) and 54% (second planting pattern: Acacia + Dipterocarpus sp. + Sindora sp.). The average profit per hectare and year is almost five times higher in the case of mixed stands. The first planting pattern reaches 2,650 $, the second planting pattern 2,280 $ and the pure acacia plantation only 460 $. From an economic point of view, the cultivation of mixed forests that corresponds to the principles of sustainable forestry generates a good economical profit while maintaining habitat complexity and biodiversity.

Status and Potential of Smallholder Livestock Production Systems in Xishuangbanna, southern P.R. China

With Chinas rapid economic development during the last decades, the national demand for livestock products has quadrupled within the last 20 years. Most of that increase in demand has been answered by subsidized industrialized production systems, while million of smallholders, which still provide the larger share of livestock products in the country, have been neglected. Fostering those systems would help China to lower its strong urban migration streams, enhance the livelihood of poorer rural population and provide environmentally save livestock products which have a good chance to satisfy customers demand for ecological food. Despite their importance, China’s smallholder livestock keepers have not yet gained appropriate attention from governmental authorities and researchers. However, profound analysis of those systems is required so that adequate support can lead to a better resource utilization and productivity in the sector. To this aim, this pilot study analyzes smallholder livestock production systems in Xishuangbanna, located in southern China. The area is bordered by Lao and Myanmar and geographically counts as tropical region. Its climate is characterized by dry and temperate winters and hot summers with monsoon rains from May to October. While the regionis plain, at about 500 m asl above sea level in the south, outliers of the Himalaya mountains reach out into the north of Xishuangbanna, where the highest peak reaches 2400 m asl. Except of one larger city, Jinghong, Xishuangbanna mainly is covered by tropical rainforest, areas under agricultural cultivation and villages. The major income is generated through inner-Chinese tourism and agricultural production. Intensive rubber plantations are distinctive for the lowland plains while small-scaled traditional farms are scattered in the mountane regions. In order to determine the current state and possible future chances of smallholder livestock production in that region, this study analyzed the current status of the smallholder livestock sector in the Naban River National Nature Reserve (NRNNR), an area which is largely representative for the whole prefecture. It covers an area of about 50square kilometer and reaches from 470 up to 2400 m asl. About 5500 habitants of different ethnic origin are situated in 24 villages. All data have been collected between October 2007 and May 2010. Three major objectives have been addressed in the study: 1. Classifying existing pig production systems and exploring respective pathways for development 2. Quantifying the performance of pig breeding systemsto identify bottlenecks for production 3. Analyzing past and current buffalo utilization to determine the chances and opportunities of buffalo keeping in the future In order to classify the different pig production s ystems, a baseline survey (n=204, stratified cluster sampling) was carried out to gain data about livestock species, numbers, management practices, cultivated plant species and field sizes as well associo-economic characteristics. Sampling included two clusters at village level (altitude, ethnic affiliation), resulting in 13 clusters of which 13-17 farms were interviewed respectively. Categorical Principal Component Analysis (CatPCA) and a two-step clustering algorithm have been applied to identify determining farm characteristics and assort recorded households into classes of livestock production types. The variables keep_sow_yes/no, TLU_pig, TLU_buffalo, size_of_corn_fields, altitude_class, size_of_tea_plantationand size_of_rubber_fieldhave been found to be major determinants for the characterization of the recorded farms. All farms have extensive or semi-intensive livestock production, pigs and buffaloes are predominant livestock species while chicken and aquaculture are available but play subordinate roles for livelihoods. All pig raisers rely on a single local breed, which is known as Small Ear Pig (SMEP) in the region. Three major production systemshave been identified: Livestock-corn based LB; 41%), rubber based (RB; 39%) and pig based (PB;20%) systems. RB farms earn high income from rubber and fatten 1.9 ±1.80 pigs per household (HH), often using purchased pig feed at markets. PB farms own similar sized rubber plantations and raise 4.7 ±2.77 pigs per HH, with fodder mainly being cultivated and collected in theforest. LB farms grow corn, rice and tea and keep 4.6 ±3.32 pigs per HH, also fed with collected and cultivated fodder. Only 29% of all pigs were marketed (LB: 20%; RB: 42%; PB: 25%), average annual mortality was 4.0 ±4.52 pigs per farm (LB: 4.6 ±3.68; RB: 1.9 ±2.14; PB: 7.1 ±10.82). Pig feed mainly consists of banana pseudo stem, corn and rice hives and is prepared in batches about two to three times per week. Such fodder might be sufficient in energy content but lacks appropriate content of protein. Pigs therefore suffer from malnutrition, which becomes most critical in the time before harvest season around October. Farmers reported high occurrences of gastrointestinal parasites in carcasses and often pig stables were wet and filled with manure. Deficits in nutritional and hygienic management are major limits for development and should be the first issues addressed to improve productivity. SME pork was found to be known and referred by local customers in town and by richer lowland farmers. However, high prices and lacking availability of SME pork at local wet-markets were the reasons which limited purchase. If major management constraints are overcome, pig breeders (PB and LB farms) could increase the share of marketed pigs for town markets and provide fatteners to richer RB farmers. RB farmers are interested in fattening pigs for home consumption but do not show any motivation for commercial pig raising. To determine the productivity of input factors in pig production, eproductive performance, feed quality and quantity as well as weight development of pigs under current management were recorded. The data collection included a progeny history survey covering 184 sows and 437 farrows, bi-weekly weighing of 114 pigs during a 16-months time-span on 21 farms (10 LB and 11 PB) as well as the daily recording of feed quality and quantity given to a defined number of pigs on the same 21 farms. Feed samples of all recorded ingredients were analyzed for their respective nutrient content. Since no literature values on thedigestibility of banana pseudo stem – which is a major ingredient of traditional pig feed in NRNNR – were found, a cross-sectional digestibility trial with 2x4 pigs has been conducted on a station in the research area. With the aid of PRY Herd Life Model, all data have been utilized to determine thesystems’ current (Status Quo = SQ) output and the productivity of the input factor “feed” in terms of saleable life weight per kg DM feed intake and monetary value of output per kg DM feed intake.Two improvement scenarios were simulated, assuming 1) that farmers adopt a culling managementthat generates the highest output per unit input (Scenario 1; SC I) and 2) that through improved feeding, selected parameters of reproduction are improved by 30% (SC II). Daily weight gain averaged 55 ± 56 g per day between day 200 and 600. The average feed energy content of traditional feed mix was 14.92 MJ ME. Age at first farrowing averaged 14.5 ± 4.34 months, subsequent inter-farrowing interval was 11.4 ± 2.73 months. Littersize was 5.8 piglets and weaning age was 4.3 ± 0.99 months. 18% of piglets died before weaning. Simulating pig production at actualstatus, it has been show that monetary returns on inputs (ROI) is negative (1:0.67), but improved (1:1.2) when culling management was optimized so that highest output is gained per unit feed input. If in addition better feeding, controlled mating and better resale prices at fixed dates were simulated, ROI further increased to 1:2.45, 1:2.69, 1:2.7 and 1:3.15 for four respective grower groups. Those findings show the potential of pork production, if basic measures of improvement are applied. Futureexploration of the environment, including climate, market-season and culture is required before implementing the recommended measures to ensure a sustainable development of a more effective and resource conserving pork production in the future. The two studies have shown that the production of local SME pigs plays an important role in traditional farms in NRNNR but basic constraints are limiting their productivity. However, relatively easy approaches are sufficient for reaching a notable improvement. Also there is a demand for more SME pork on local markets and, if basic constraints have been overcome, pig farmers could turn into more commercial producers and provide pork to local markets. By that, environmentally safe meat can be offered to sensitive consumers while farmers increase their income and lower the risk of external shocks through a more diverse income generating strategy. Buffaloes have been found to be the second important livestock species on NRNNR farms. While they have been a core resource of mixed smallholderfarms in the past, the expansion of rubber tree plantations and agricultural mechanization are reasons for decreased swamp buffalo numbers today. The third study seeks to predict future utilization of buffaloes on different farm types in NRNNR by analyzing the dynamics of its buffalo population and land use changes over time and calculating labor which is required for keeping buffaloes in view of the traction power which can be utilized for field preparation. The use of buffaloes for field work and the recent development of the egional buffalo population were analyzed through interviews with 184 farmers in 2007/2008 and discussions with 62 buffalo keepers in 2009. While pig based farms (PB; n=37) have abandoned buffalo keeping, 11% of the rubber based farms (RB; n=71) and 100% of the livestock-corn based farms (LB; n=76) kept buffaloes in 2008. Herd size was 2.5 ±1.80 (n=84) buffaloes in early 2008 and 2.2 ±1.69 (n=62) in 2009. Field work on own land was the main reason forkeeping buffaloes (87.3%), but lending work buffaloes to neighbors (79.0%) was also important. Other purposes were transport of goods (16.1%), buffalo trade (11.3%) and meat consumption(6.4%). Buffalo care required 6.2 ±3.00 working hours daily, while annual working time of abuffalo was 294 ±216.6 hours. The area ploughed with buffaloes remained constant during the past 10 years despite an expansion of land cropped per farm. Further rapid replacement of buffaloes by tractors is expected in the near future. While the work economy is drastically improved by the use of tractors, buffaloes still can provide cheap work force and serve as buffer for economic shocks on poorer farms. Especially poor farms, which lack alternative assets that could quickly be liquidizedin times of urgent need for cash, should not abandon buffalo keeping. Livestock has been found to be a major part of small mixed farms in NRNNR. The general productivity was low in both analyzed species, buffaloes and pigs. Productivity of pigs can be improved through basic adjustments in feeding, reproductive and hygienic management, and with external support pig production could further be commercialized to provide pork and weaners to local markets and fattening farms. Buffalo production is relatively time intensive, and only will be of importance in the future to very poor farms and such farms that cultivate very small terraces on steep slopes. These should be encouraged to further keep buffaloes. With such measures, livestock production in NRNNR has good chances to stay competitive in the future.

Wirtschaft an der Grenze. Studien zum Wirtschaftsleben in römischen Militärlagern im Norden Britanniens

Die wichtigsten Quellen für die Erforschung des Wirtschaftsleben in den Militärlagern im Norden Britanniens sind die im Kastell Vindolanda gefundenen Holztäfelchen mit Texten aus dem Lageralltag von ca. 90-120 n. Chr. sowie die archäologischen Funde aus der Region. Nicht zuletzt aufgrund dieser Quellenlage wurde der Betrachtungszeitraum auf die Zeit von Agricola bis Hadrianus begrenzt. Es hat sich gezeigt, daß das Wirtschaftsleben in den römischen Militärlagern im Norden Britanniens dieser Epoche einerseits bürokratische Züge trägt, da Führungspersonen in Militär und Verwaltung im Rahmen redistributiver Strukturen viele Güter beschafften, die an die Soldaten gegen Abzüge vom Sold ausgegeben wurden. Andererseits stand diesem Verfahren eine beeindruckende Dynamik im Marktgeschehen gegenüber, die durch die Erfordernisse der Heeresversorgung und des individuellen Konsums der Soldaten entstand. Zu den Bereichen der Wirtschaftstätigkeit, in denen ein starker Einfluß der Bürokratie herrschte, zählten insbesondere die Versorgung mit den Grundnahrungsmitteln (v. a. Getreide, Bier). Hypothesen über ein militärisches Redistributivsystem für Olivenöl unter der Ägide des praefectus annonae wurden allerdings nicht bestätigt. Die Existenz einer zentralen Behörde für die Heeresversorgung im Reich für die Principatszeit nicht nachgewiesen werden. Es zeigte sich statt dessen eine in der Forschung bisher nicht so deutlich gesehene Verantwortung und Aktivität unterer militärischer Entscheidungsträger vor Ort. Die Märkte an der britannischen Grenze bieten eine sehr viel differenzierteres Bild als man es von Handelsplätzen am äußersten Rande der romanisierten Welt vielleicht erwartet hätte. Vor allem zeichneten sie sich durch ein breites Angebot an Waren aus, die über große Entfernungen heran transportiert worden waren (Wein, Oliven, mediterrane Fischcaucen, Pfeffer, Importkeramik). Im Bereich des Handwerks sind im Norden Britanniens durch archäologische Funde und die Tätigkeitsbezeichnungen von Handwerkern in den Texten aus Vindolanda vielfältige Zeugnisse eines Engagements der Militärs präsent.

Swamp buffalo keeping – an out-dated farming activity? A case study in smallholder farming systems in Xishuangbanna, Yunnan Province, PR China

Expansion of rubber tree plantations and agricultural mechanization caused a decline of swamp buffalo numbers in the Naban River National Nature Reserve (NRNNR), Yunnan Province, China. We analysed current use of buffaloes for field work and the recent development of the regional buffalo population, based on interviews with 184 farmers in 2007/2008 and discussions with 62 buffalo keepers in 2009. Three types of NRNNR farms were distinguished, differing mainly in altitude, area under rubber, and involvement in livestock husbandry. While pig based farms (PB; n=37) have abandoned buffalo keeping, 11% of the rubber based farms (RB; n=71) and 100% of the livestock-corn based farms (LB; n=76) kept buffaloes in 2008. Herd size was 2.5 +/-1.80 (n=84) buffaloes in early 2008 and 2.2 +/-1.69 (n=62) in 2009. Field work on own land was the main reason for keeping buffaloes (87.3 %), but lending work buffaloes to neighbours (79.0%) was also important. Other purposes were transport of goods (16.1%), buffalo trade (11.3%) and meat consumption (6.4%). Buffalo care required 6.2 +/-3.00 working hours daily, while annual working time of a buffalo was 294 +/-216.6 hours. The area ploughed with buffaloes remained constant during the past 10 years despite an expansion of land cropped per farm. Although further replacement of buffaloes by tractors occurs rapidly, buffaloes still provide cheap work force and buffer risks on poor NRNNR farms. Appropriate advice is needed for improved breeding management to increase the efficiency of buffalo husbandry and provide better opportunities for buffalo meat sale in the region.

Bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie Bürger an der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente mitwirken können und welche Leistungen von ihnen erbracht werden können. Dabei wird der Fokus darauf gerichtet, ob mit einer optimalen organisatorischen und methodischen Herangehensweise ein Inventar historischer Kulturlandschaftselemente erstellt werden kann, das auch den Anforderungen für eine planerische Anwendung genügt. Forschungsschwerpunkte der Arbeit sind entsprechend die Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente und die Anforderungen an die dabei erstellten Inventare sowie die Möglichkeiten für bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung. Darüber hinaus wird der Frage nachgegangen, ob mit dem bürgerschaftlichen Engagement bei der Inventarisierung ein sonstiger Mehrwert verbunden ist. Die Untersuchung wird anhand von Fallstudien durchgeführt. Empirische Grundlage sind acht ausgewählte Beispielprojekte, in denen Bürger an der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente mitwirken bzw. diese durchführen. Um einen möglichst großen Erfahrungspool zu erschließen wurden Fallbeispiele gewählt, die sich u. a. hinsichtlich der Rahmenbedingungen, der Organisationsstrukturen, dem Maß und der Art der Mitwirkung von Bürgern unterscheiden. Die detaillierte Analyse dieser Projekte und die Evaluierung der in ihrem Rahmen erstellten Inventare ist Hauptgegenstand dieser Arbeit und eine Grundlage für die Entwicklung von Empfehlungen für bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente. Die Datenerhebung für die Analyse und Evaluierung erfolgt in erster Linie mittels Befragungen. Die Untersuchung zeigt, dass durch bürgerschaftliches Engagement wertvolle Beiträge zur Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente geleistet werden können. In der Bevölkerung gibt es sowohl Interesse an der aktiven Mitwirkung als auch Kompetenzen, um unter Anleitung historische Kulturlandschaftselemente zu erfassen. Es müssen jedoch einige methodische Hinweise berücksichtigt und Maßnahmen getroffen werden, um Defizite, die sich durch die Erfassung durch Freiwillige ergeben können, zu vermeiden. So ist es bspw. zwingend notwendig, organisatorische Strukturen, Methoden und Standards vorzugeben, die Freiwilligen anzuleiten und ggf. zu unterstützen sowie die erhobenen Daten zu prüfen und in einem gewissen Umfang auch zu qualifizieren. Wenn die Inventarisierungen von Fachexperten aufgebaut und gesteuert werden, kann verhindert werden, dass die methodische Vorgehensweise von den fachlichen Anforderungen abweicht, und dass falsch erhobene und bewertete Daten verbreitet werden. Nicht von der Hand zu weisen ist der hohe Organisations- und Betreuungsaufwand sowie der Aufwand zur Prüfung und Nachbesserung der Daten, der mit der Beteiligung von Bürgern einhergeht. Doch selbst wenn die erfassten Daten der Bürger nur eine Grundlage bilden, die geprüft und für eine planerische Verwendung weiter qualifiziert werden muss, können durch die Einbindung von Bürgern wichtige Beiträge zum Erhalt der Kulturlandschaft geleistet werden. Neben der Datenerfassung werden zahlreiche Bürger für das Themenfeld Kulturlandschaft sensibilisiert, so dass die Anliegen zum Erhalt der Kulturlandschaft in weiten Teilen der Bevölkerung an Bedeutung gewinnen und verankert werden können. Um das Potenzial bürgerschaftlichen Engagements für die Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente optimal nutzen zu können, und um möglichst bundes- oder landesweit einheitliche Inventare zu erstellen die Akzeptanz finden und für die Planung und weitere Anwendungszwecke genutzt werden, besteht noch Entwicklungs- und Abstimmungsbedarf. Manche Entwicklungen stehen nicht in Zusammenhang mit der Beteiligung von Bürgern, sondern sind generell notwendig, um einheitliche und möglichst landes- oder gar bundesweite Inventarisierungen historischer Kulturlandschaftselemente zu realisieren. Dies betrifft z. B. die Konsensfindung unter den Behörden und Fachstellen bezüglich methodischer Fragen und der Zuständigkeiten oder die Entwicklung eines geeigneten GIS-basierten Online-Inventars.