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.

Shifting cultivation and forest resources in Nagaland, N.-E. India

Die vorliegende Studie befasst sich mit der Ressourcennachhaltigkeit der traditionellen, auf Wanderfeldbau beruhenden Subsistenzwirtschaft in zwei Dörfern (Hongphoy und Minyakshu) in Nagaland im Nordosten Indiens. Hierbei werden die Cerealien Produktion, der Feuerholz Konsum und auch die Folgen der intensivierten Bewirtschaftung (Forstdegradation und Bodenverarmung) im Hinblick auf das Bevölkerungswachstum diskutiert. Während das traditionelle System des Wanderfeldbaus (Jhum) seit Jahrzehnten die Bedürfnisse der ehemals kopfjagenden Stämme Nagalands erfüllte, ergab unsere Studie durch Interviews und Feldaufnahmen in 2004 und 2005, dass die steigende Nachfrage einer wachsenden Bevölkerung nach Cerealien und Feuerholz als wichtigste Ressourcen der Subsistenzwirtschaft zu einer verkürzten Brachezeit und letztlich der Degradation von Naturressourcen geführt hat: Pro Hektar Ernten sind reduziert und der Zuwachs der Holzvorräte auf den Feldern kann durch die verkürzten Bracheperioden nicht mehr die Feuerholz Nachfrage decken. Eine Nahrungsmittelknappheit wurde durch die Gegenüberstellung des Energiebedarfs einer Person und die jährlichen pro-Kopf Erntemengen und unter Berücksichtigung des Zukaufs von Reis reflektiert: In Hongphoy ergab dies ein Defizit auf Dorfebene von 130 Tonnen Reis, in Minyakshu von 480 Tonnen, die nicht durch Ernten gedeckt werden konnten. Diese Nahrungsmittelknappheit erweist sich vor allem vor dem Hintergrund eines Bevölkerungswachstums von 6.7% und marginalen Einkünften als problematisch. Für fünf verschiedene Waldformationen (zwei Brachewälder, zwei Dorfwälder und ein Naturwald) wurden die unterschiedliche Artenzusammensetzung (Diversität) und Bestandesvolumina durch Forstinventuren beschrieben. Der dem Bestandesvolumen der Brachewälder gegenübergestellte pro-Kopf Feuerholz Bedarf ergab ein jährliches Defizit von 1,81m³ in Hongphoy und 0.05m³ in Minyakshu. Der Unterschied dieses Defizits zwischen beiden Dörfern wurde in einer abweichenden Bestandesstruktur (Dominanz der N2 fixierenden Baumart Alnus nepalensis in den Brachewäldern Minyakshus) begründet. Über den erhobenen Feuerholzbedarf wurde ein theoretischer pro-Kopf Flächenbedarf an Brachewald errechnet, der nötig wäre um den gesamten Feuerholz Bedarf innerhalb des Wanderfeldbau Systems zu decken. Das daraus resultierende Defizit wurde mit den Feuerholzvolumina der Dorfwälder und des verbliebenen Naturwalds gegenüber gestellt. Hieraus ergibt sich die Bedeutung der Feuerholzernte und des Wanderfeldbau als Ursache für die fortschreitende Entwaldung und Forstdegradation in Nagaland. Mit Hilfe dieser Informationen und aktuellen Angaben zum Bevölkerungswachstum werden die Ergebnisse anhand einschlägiger Literatur diskutiert und letztendlich die Nachhaltigkeit und Tragfähigkeit des Wanderfeldbau Systems in dieser Region bestimmt. Mögliche Verbesserungsstrategien um der zunehmenden Ressourcendegradation zu begegnen, werden andiskutiert.