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.

Das OEE-Protein 1 des Photosystem II (oxygen evolving enhancer) der Grünalge Scenedesmus obliquus besitzt Thioredoxin-Aktivität

Die Aminosäure-Sequenzierung an dem als "28 kDa-Thioredoxin f" beschriebenen Protein aus der Grünalge Scenedesmus obliquus hat gezeigt, dass dieses Protein mit dem als OEE bekannten Protein 1 aus dem Photosystem II identisch ist. Die früher postulierte Möglichkeit einer Fusion eines Thioredoxins mit einem Protein unbekannter Natur oder Insertion eines Thioredoxinfragments mit der typischen -Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-Sequenz in ein solches Protein hat sich nicht bestätigt. Durch Anwendung einer auf das 33 kDa OEE-Protein ausgerichteten Präparationsmethode konnte gezeigt werden, dass das "28 kDa-Trx f" tatsächlich in den Thylakoidmembranen lokalisiert ist. Das Protein kann so innerhalb eines Tages in hoher Reinheit aus den Thylakoidmembranfragmenten eines Algenrohhomogenats isoliert werden; dabei bleibt die Fähigkeit des OEE-Proteins das chloroplastidäre Enzym Fructosebisphosphatase (FbPase) zu stimulieren erhalten. Mit gleichen Methoden wurden die Grünalgen Chlorella vulgaris und Chlamydomonas reinhardtii auf außergewöhnliche Proteine mit Trx-f Aktivität untersucht. Die hitze- und säurestabile Proteinfraktion aus Chlorella vulgaris enthält ein Protein mit vergleichbarer Molmasse von 26 kDa, das ähnlich wie in Scenedesmus eine Stimulation der chloroplastidären Fructosebisphosphatase zeigt. In dem hitze- und säurestabilen Proteinextrakt aus Chlamydomonas reinhardtii wird solche Aktivität nicht beobachtet. Eine Probe des rekombinanten, homogenen OEE-Proteins aus Spinat wurde auf Stimulation der chloroplastidären FbPase und NADPH-abhängigen Malatdehydrogenase (MDH) untersucht. Das Spinat OEE-Protein 1 zeigt mit diesen Enzymen keine Aktivität. Da das OEE-Protein 1 in Scenedesmus starke FbPase-Stimulation zeigt, die anderen Scenedesmus-Thioredoxine mit Molmassen von 12 kDa (Trx I und II) jedoch hohe Aktivität mit der zellulären Ribonucleotidreduktase zeigen, wird postuliert, dass das OEE-Protein die Funktion des Trx-f in vivo ersetzt.

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

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.