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.

Carbon and nitrogen emissions from stored manure and cropped fields in irrigated mountain oases of Oman

Little is known about gaseous carbon (C) and nitrogen (N) emissions from traditional terrace agriculture in irrigated high mountain agroecosystems of the subtropics. In an effort towards filling this knowledge gap measurements of carbon dioxide (CO_2), methane (CH_4), ammonia (NH_3) and dinitrous oxide (N_2O) were taken with a mobile photoacoustic infrared multi-gas monitor on manure-filled PE-fibre storage bags and on flood-irrigated untilled and tilled fields in three mountain oases of the northen Omani Al Jabal al Akhdar mountains. During typical 9-11 day irrigation cycles of March, August and September 2006 soil volumetric moisture contents of fields dominated by fodder wheat, barley, oats and pomegranate ranged from 46-23%. While manure incorporation after application effectively reduced gaseous N losses, prolonged storage of manure in heaps or in PE-fibre bags caused large losses of C and N. Given the large irrigation-related turnover of organic C, sustainable agricultural productivity of oasis agriculture in Oman seems to require the integration of livestock which allows for several applications of manure per year at individual rates of 20 t dry matter ha^−1.

Effects of red brick production on land use, household income, and greenhouse gas emissions in Khartoum, Sudan

In Khartoum (Sudan) a particular factor shaping urban land use is the rapid expansion of red brick making (BM) for the construction of houses which occurs on the most fertile agricultural Gerif soils along the Nile banks. The objectives of this study were to assess the profitability of BM, to explore the income distribution among farmers and kiln owners, to measure the dry matter (DM), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and organic carbon (C_org) in cow dung used for BM, and to estimate the greenhouse gas (GHG) emissions from burned biomass fuel (cow dung and fuel wood). About 49 kiln owners were interviewed in 2009 using a semi-structured questionnaire that allowed to record socio-economic and variable cost data for budget calculations, and determination of Gini coefficients. Samples of cow dung were collected directly from the kilns and analyzed for their nutrients concentrations. To estimate GHG emissions a modified approach of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) was used. The land rental value from red brick kilns was estimated at 5-fold the rental value from agriculture and the land rent to total cost ratio was 29% for urban farms compared to 6% for BM. The Gini coefficients indicated that income distribution among kiln owners was more equal than among urban farmers. Using IPCC default values the 475, 381, and 36 t DM of loose dung, compacted dung, and fuel wood used for BM emit annually 688, 548, and 60 t of GHGs, respectively.

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.

Uncertainty and Speculators in an Auction for Emissions Permits

Auctions have become popular as means of allocating emissions permits in the emissions trading schemes developed around the world. Mostly, only a subset of the regulated polluters participate in these auctions along with speculators, creating a market with relatively few participants and, thus, incentive for strategic bidding. I characterize the bidding behavior of the polluters and the speculators, examining the effect of the latter on the profits of the former and on the auction outcome. It turns out that in addition to bidding for compliance, polluters also bid for speculation in the aftermarket. While the presence of the speculators forces the polluters to bid closer to their true valuations, it also creates a trade-off between increasing the revenue accrued to the regulator and reducing the profits of the auction-participating polluters. Nevertheless, the profits of the latter increase in the speculators' risk aversion.

Potential mitigation of midwest grass-finished beef production emissions with soil carbon sequestration in the United States of America

Beef production can be environmentally detrimental due in large part to associated enteric methane (CH4) production, which contributes to climate change. However, beef production in well-managed grazing systems can aid in soil carbon sequestration (SCS), which is often ignored when assessing beef production impacts on climate change. To estimate the carbon footprint and climate change mitigation potential of upper Midwest grass-finished beef production systems, we conducted a partial life cycle assessment (LCA) comparing two grazing management strategies: 1) a non-irrigated, lightly-stocked (1.0 AU/ha), high-density (100,000 kg LW/ha) system (MOB) and 2) an irrigated, heavily-stocked (2.5 AU/ha), low-density (30,000 kg LW/ha) system (IRG). In each system, April-born steers were weaned in November, winter-backgrounded for 6 months and grazed until their endpoint the following November, with average slaughter age of 19 months and a 295 kg hot carcass weight. As the basis for the LCA, we used two years of data from Lake City Research Center, Lake City, MI. We included greenhouse gas (GHG) emissions associated with enteric CH4, soil N2O and CH4 fluxes, alfalfa and mineral supplementation, and farm energy use. We also generated results from the LCA using the enteric emissions equations of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). We evaluated a range of potential rates of soil carbon (C) loss or gain of up to 3 Mg C ha-1 yr-1. Enteric CH4 had the largest impact on total emissions, but this varied by grazing system. Enteric CH4 composed 62 and 66% of emissions for IRG and MOB, respectively, on a land basis. Both MOB and IRG were net GHG sources when SCS was not considered. Our partial LCA indicated that when SCS potential was included, each grazing strategy could be an overall sink. Sensitivity analyses indicated that soil in the MOB and IRG systems would need to sequester 1 and 2 Mg C ha-1 yr-1 for a net zero GHG footprint, respectively. IPCC model estimates for enteric CH4 were similar to field estimates for the MOB system, but were higher for the IRG system, suggesting that 0.62 Mg C ha-1 yr-1 greater SCS would be needed to offset the animal emissions in this case.