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.

Multi-site time-trend analysis of soil fertility management effects on crop production in sub-Saharan West Africa

Soil fertility constraints to crop production have been recognized widely as a major obstacle to food security and agro-ecosystem sustainability in sub-Saharan West Africa. As such, they have led to a multitude of research projects and policy debates on how best they should be overcome. Conclusions, based on long-term multi-site experiments, are lacking with respect to a regional assessment of phosphorus and nitrogen fertilizer effects, surface mulched crop residues, and legume rotations on total dry matter of cereals in this region. A mixed model time-trend analysis was used to investigate the effects of four nitrogen and phosphorus rates, annually applied crop residue dry matter at 500 and 2000 kg ha^-1, and cereal-legume rotation versus continuous cereal cropping on the total dry matter of cereals and legumes. The multi-factorial experiment was conducted over four years at eight locations, with annual rainfall ranging from 510 to 1300 mm, in Niger, Burkina Faso, and Togo. With the exception of phosphorus, treatment effects on legume growth were marginal. At most locations, except for typical Sudanian sites with very low base saturation and high rainfall, phosphorus effects on cereal total dry matter were much lower with rock phosphate than with soluble phosphorus, unless the rock phosphate was combined with an annual seed-placement of 4 kg ha^-1 phosphorus. Across all other treatments, nitrogen effects were negligible at 500 mm annual rainfall but at 900 mm, the highest nitrogen rate led to total dry matter increases of up to 77% and, at 1300 mm, to 183%. Mulch-induced increases in cereal total dry matter were larger with lower base saturation, reaching 45% on typical acid sandy Sahelian soils. Legume rotation effects tended to increase over time but were strongly species-dependent.

Effect of management strategies on the performance of ruminant livestock production systems and the safety of plant and animal products in the city of Sikasso, Mali

The regional population growth in West Africa, and especially its urban centers, will bring about new and critical challenges for urban development policy, especially in terms of ensuring food security and providing employment for the growing population. (Peri-) urban livestock and vegetable production systems, which can contribute significantly to these endeavours, are limited by various constraints, amongst them limited access to expensive production factors and their (in)efficient use. To achieve sustainable production systems with low consumer health risks, that can meet the urban increased demand, this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative (peri-) urban livestock production systems in three West African cities, and investigated potential health risks for consumers ensuing from there. The field study, which was conducted during July 2007 to December 2009, undertook a comparative analysis of (peri-) urban livestock production strategies across 210 livestock keeping households (HH) in the three West African cities of Kano/Nigeria (84 HH), Bobo Dioulasso/Burkina Faso (63 HH) and Sikasso/Mali (63 HH). These livestock enterprises were belonging to the following three farm types: commercial gardening plus field crops and livestock (cGCL; 88 HH), commercial livestock plus subsistence field cropping (cLsC; 109 HH) and commercial gardening plus semi-commercial livestock (cGscL; 13 HH) which had been classified in a preceding study; they represented the diversity of (peri-) urban livestock production systems in West Africa. In the study on the efficiency of ruminant livestock production, lactating cowsand sheep herd units were differentiated based on whether feed supplements were offered to the animals at the homestead (Go: grazing only; Gsf: mainly grazing plus some supplement feeding). Inflows and outflows of nutrients were quantified in these herds during 18 months, and the effects of seasonal variations in nutrient availability on animals’ productivity and reproductive performance was determined in Sikasso. To assess the safety of animal products and vegetables, contamination sources of irrigated lettuce and milk with microbiological contaminants, and of tomato and cabbage with pesticide residues in (peri-) urban agriculture systems of Bobo Dioulasso and Sikasso were characterized at three occasions in 2009. Samples of irrigation water, organic fertilizer and ix lettuce were collected in 6 gardens, and samples of cabbage and tomato in 12 gardens; raw and curdled milk were sampled in 6 dairy herds. Information on health risks for consumers of such foodstuffs was obtained from 11 health centers in Sikasso. In (peri-) urban livestock production systems, sheep and goats dominated (P<0.001) in Kano compared to Bobo Dioulasso and Sikasso, while cattle and poultry were more frequent (P<0.001) in Bobo Dioulasso and Sikasso than in Kano. Across cities, ruminant feeding relied on grazing and homestead supplementation with fresh grasses, crop residues, cereal brans and cotton seed cake; cereal grains and brans were the major ingredients of poultry feeds. There was little association of gardens and livestock; likewise field cropping and livestock were rarely integrated. No relation existed between the education of the HH head and the adoption of improved management practices (P>0.05), but the proportion of HH heads with a long-term experience in (peri-) urban agriculture was higher in Kano and in Bobo Dioulasso than in Sikasso (P<0.001). Cattle and sheep fetched highest market prices in Kano; unit prices for goats and chicken were highest in Sikasso. Animal inflow, outflow and dairy herd growth rates were significantly higher (P<0.05) in the Gsf than in the Go cattle herds. Maize bran and cottonseed expeller were the main feeds offered to Gsf cows as dry-season supplement, while Gsf sheep received maize bran, fresh grasses and cowpea pods. The short periodic transhumance of Go dairy cows help them maintaining their live weight, whereas Gsf cows lost weight during the dry season despite supplement feeding at a rate of 1506 g dry matter per cow and day, resulting in low productivity and reproductive performance. The daily live weight gains of calves and lambs, respectively, were low and not significantly different between the Go and the Gsf system. However, the average live weight gains of lambs were significantly higher in the dry season (P<0.05) than in the rainy season because of the high pressure of gastrointestinal parasites and of Trypanosoma sp. In consequence, 47% of the sheep leaving the Go and Gsf herds died due to diseases during the study period. Thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli contamination levels of irrigation water significantly exceeded WHO recommendations for the unrestricted irrigation of vegetables consumed raw. Microbial contamination levels of lettuce at the farm gate and the market place in Bobo Dioulasso and at the farm gate in Sikasso were higher than at the market place in Sikasso (P<0.05). Pesticide residues were detected in only one cabbage and one tomato sample and were below the maximum residue limit for consumption. Counts of thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli were higher in curdled than in raw milk (P<0.05). From 2006 to x 2009, cases of diarrhea/vomiting and typhoid fever had increased by 11% and 48%, respectively, in Sikasso. For ensuring economically successful and ecologically viable (peri-) urban livestock husbandry and food safety of (peri-) urban foodstuffs of animal and plant origin, the dissemination and adoption of improved feeding practices, livestock healthcare and dung management are key. In addition, measures fostering the safety of animal products and vegetables including the appropriate use of wastewater in (peri-) urban agriculture, restriction to approve vegetable pesticides and the respect of their latency periods, and passing and enforcement of safety laws is required. Finally, the incorporation of environmentally sound (peri-) urban agriculture in urban planning by policy makers, public and private extension agencies and the urban farmers themselves is of utmost importance. To enable an efficient (peri-) urban livestock production in the future, research should concentrate on cost-effective feeding systems that allow meeting the animals’ requirement for production and reproduction. Thereby focus should be laid on the use of crop-residues and leguminous forages. The improvement of the milk production potential through crossbreeding of local cattle breeds with exotic breeds known for their high milk yield might be an accompanying option, but it needs careful supervision to prevent the loss of the local trypanotolerant purebreds.

Regional Labor Market Disparities

Regionale Arbeitsmärkte unterscheiden sich erheblich hinsichtlich wesentlicher Kennzahlen wie der Arbeitslosenquote, des Lohnniveaus oder der Beschäftigungsentwicklung. Wegen ihrer Persistenz sind diese Unterschiede von hoher Relevanz für die Politik. Die wirtschaftswissenschaftliche Literatur liefert bereits theoretische Modelle für die Analyse regionaler Arbeitsmärkte. In der Regel sind diese Modelle aber nicht dazu geeignet, regionale Arbeitsmarktunterschiede endogen zu erklären. Das bedeutet, dass sich die Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in der Regel nicht aus den Modellzusammenhängen selbst ergeben, sondern „von außen“ eingebracht werden müssen. Die empirische Literatur liefert Hinweise, dass die Unterschiede zwischen regionalen Arbeitsmärkten auf die Höhe der regionalen Arbeitsnachfrage zurückzuführen sind. Die Arbeitsnachfrage wiederum leitet sich aus den Gütermärkten ab: Es hängt von der Entwicklung der regionalen Gütermärkte ab, wie viele Arbeitskräfte benötigt werden. Daraus folgt, dass die Ursachen für Unterschiede regionaler Arbeitsmärkte in den Unterschieden zwischen den regionalen Gütermärkten zu suchen sind. Letztere werden durch die Literatur zur Neuen Ökonomischen Geographie (NÖG) untersucht. Die Literatur zur NÖG erklärt Unterschiede regionaler Gütermärkte, indem sie zentripetale und zentrifugale Kräfte gegenüberstellt. Zentripetale Kräfte sind solche, welche hin zur Agglomeration ökonomischer Aktivität wirken. Im Zentrum dieser Diskussion steht vor allem das Marktpotenzial: Unternehmen siedeln sich bevorzugt an solchen Standorten an, welche nahe an großen Märkten liegen. Erwerbspersonen wiederum bevorzugen solche Regionen, welche ihnen entsprechende Erwerbsaussichten bieten. Beides zusammen bildet einen sich selbst verstärkenden Prozess, der zur Agglomeration ökonomischer Aktivität führt. Dem stehen jedoch zentrifugale Kräfte gegenüber, welche eine gleichmäßigere Verteilung ökonomischer Aktivität bewirken. Diese entstehen beispielsweise durch immobile Produktionsfaktoren oder Ballungskosten wie etwa Umweltverschmutzung, Staus oder hohe Mietpreise. Sind die zentripetalen Kräfte hinreichend stark, so bilden sich Zentren heraus, in denen sich die ökonomische Aktivität konzentriert, während die Peripherie ausdünnt. In welchem Ausmaß dies geschieht, hängt von dem Verhältnis beider Kräfte ab. Üblicherweise konzentriert sich die Literatur zur NÖG auf Unterschiede zwischen regionalen Gütermärkten und geht von der Annahme perfekter Arbeitsmärkte ohne Arbeitslosigkeit aus. Die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede kann die NÖG daher üblicherweise nicht erklären. An dieser Stelle setzt die Dissertation an. Sie erweitert die NÖG um Friktionen auf dem Arbeitsmarkt, um die Entstehung und Persistenz regionaler Arbeitsmarktunterschiede zu erklären. Sie greift dazu auf eine empirische Regelmäßigkeit zurück: Zahlreiche Studien belegen einen negativen Zusammenhang zwischen Lohn und Arbeitslosigkeit. In Regionen, in denen die Arbeitslosigkeit hoch ist, ist das Lohnniveau gering und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird als Lohnkurve bezeichnet. Auf regionaler Ebene lässt sich die Lohnkurve mithilfe der Effizienzlohntheorie erklären, die als theoretische Grundlage in der Dissertation Anwendung findet. Konzentriert sich nun die ökonomische Aktivität aufgrund der zentripetalen Kräfte in einer Region, so ist in diesem Zentrum die Arbeitsnachfrage höher. Damit befindet sich das Zentrum auf einer günstigen Position der Lohnkurve mit geringer Arbeitslosigkeit und hohem Lohnniveau. Umgekehrt findet sich die Peripherie auf einer ungünstigen Position mit hoher Arbeitslosigkeit und geringem Lohnniveau wieder. Allerdings kann sich die Lohnkurve in Abhängigkeit des Agglomerationsgrades verschieben. Das komplexe Zusammenspiel der endogenen Agglomeration mit den Arbeitsmarktfriktionen kann dann unterschiedliche Muster regionaler Arbeitsmarktdisparitäten hervorrufen. Die Dissertation zeigt auf, wie im Zusammenspiel der NÖG mit Effizienzlöhnen regionale Arbeitsmarktdisparitäten hervorgerufen werden. Es werden theoretische Modelle formuliert, die diese Interaktionen erklären und welche die bestehende Literatur durch spezifische Beiträge erweitern. Darüber hinaus werden die zentralen Argumente der Theorie einem empirischen Test unterworfen. Es kann gezeigt werden, dass das zentrale Argument – der positive Effekt des Marktpotentials auf die Arbeitsnachfrage – relevant ist. Außerdem werden Politikimplikationen abgeleitet und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.

Opportunities and constraints of transhumant small ruminant production in the Chinese Altay Mountains

This PhD thesis focuses on current livelihoods of agro-pastoral livestock keepers, their animal nutrition, herd and rangeland management strategies. It thereby aims to contribute to sustainable rangeland management, livestock production and household income in Qinghe county of the Chinese Altay Mountain region, located in Xinjiang Uyghur Autonomous Region, PR China. In its first part the study characterizes the socio-economic situation and agricultural practices of agro-pastoralists through structured household interviews. The second part provides insights into the grazing behaviour and feed intake of small ruminants on seasonal pastures in this region, and into the quantitative and qualitative biomass offer on natural rangelands. The third part analyses the reproductive performance and annual growth of the local sheep and goat herds, and, by modelling improved feeding and culling strategies, tests herd management options that potentially improve the monetary output per female herd animal without increasing the pressure onto natural rangelands. Taken together, the results of the study suggest that, despite an increase and intensification of cropping and vegetable gardening in the region of Qinghe, livestock rearing is still the major livelihood strategy both in terms of prevalence and relative importance. However, livestock keeping is challenged by low biomass production on rangelands, due to the combined impact of high climate variability and highly localized grazing pressure on the seasonal pastures. Though government regulations try to tackle the latter aspect, their implementation is sometimes difficult. Alternatives to strict regulation of grazing periods and animal numbers on seasonal pastures are, in the case of goats, more rigorous culling strategies and, in the case of sheep and goats, strategic supplementation of the animals in the winter and spring season. However, for the latter strategy to become economically viable, an improvement of live animal and meat marketing options and an investment in local meat processing facilities that add value to the carcasses is needed. As the regional cities grow rapidly, the potential market to absorb diverse and good quality meat products is there, along with the road network connecting Qinghe county to the regional capital. Such governmental measures will not only create new job opportunities in the region but also benefit the cash income of pastoralists in this westernmost region of China.

A probabilistic approach to the estimation of regional photovoltaic power generation using meteorological data

In Germany the upscaling algorithm is currently the standard approach for evaluating the PV power produced in a region. This method involves spatially interpolating the normalized power of a set of reference PV plants to estimate the power production by another set of unknown plants. As little information on the performances of this method could be found in the literature, the first goal of this thesis is to conduct an analysis of the uncertainty associated to this method. It was found that this method can lead to large errors when the set of reference plants has different characteristics or weather conditions than the set of unknown plants and when the set of reference plants is small. Based on these preliminary findings, an alternative method is proposed for calculating the aggregate power production of a set of PV plants. A probabilistic approach has been chosen by which a power production is calculated at each PV plant from corresponding weather data. The probabilistic approach consists of evaluating the power for each frequently occurring value of the parameters and estimating the most probable value by averaging these power values weighted by their frequency of occurrence. Most frequent parameter sets (e.g. module azimuth and tilt angle) and their frequency of occurrence have been assessed on the basis of a statistical analysis of parameters of approx. 35 000 PV plants. It has been found that the plant parameters are statistically dependent on the size and location of the PV plants. Accordingly, separate statistical values have been assessed for 14 classes of nominal capacity and 95 regions in Germany (two-digit zip-code areas). The performances of the upscaling and probabilistic approaches have been compared on the basis of 15 min power measurements from 715 PV plants provided by the German distribution system operator LEW Verteilnetz. It was found that the error of the probabilistic method is smaller than that of the upscaling method when the number of reference plants is sufficiently large (>100 reference plants in the case study considered in this chapter). When the number of reference plants is limited (<50 reference plants for the considered case study), it was found that the proposed approach provides a noticeable gain in accuracy with respect to the upscaling method.