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.

Das Einzugsgebiet der Fulda - Untersuchung der Methoden der Hochwasserstatistik im Zeichen des Klimawandels

Numerous studies have proven an effect of a probable climate change on the hydrosphere’s different subsystems. In the 21st century global and regional redistribution of water has to be expected and it is very likely that extreme weather phenomenon will occur more frequently. From a global view the flood situation will exacerbate. In contrast to these discoveries the classical approach of flood frequency analysis provides terms like “mean flood recurrence interval”. But for this analysis to be valid there is a need for the precondition of stationary distribution parameters which implies that the flood frequencies are constant in time. Newer approaches take into account extreme value distributions with time-dependent parameters. But the latter implies a discard of the mentioned old terminology that has been used up-to-date in engineering hydrology. On the regional scale climate change affects the hydrosphere in various ways. So, the question appears to be whether in central Europe the classical approach of flood frequency analysis is not usable anymore and whether the traditional terminology should be renewed. In the present case study hydro-meteorological time series of the Fulda catchment area (6930 km²), upstream of the gauging station Bonaforth, are analyzed for the time period 1960 to 2100. At first a distributed catchment area model (SWAT2005) is build up, calibrated and finally validated. The Edertal reservoir is regulated as well by a feedback control of the catchments output in case of low water. Due to this intricacy a special modeling strategy has been necessary: The study area is divided into three SWAT basin models and an additional physically-based reservoir model is developed. To further improve the streamflow predictions of the SWAT model, a correction by an artificial neural network (ANN) has been tested successfully which opens a new way to improve hydrological models. With this extension the calibration and validation of the SWAT model for the Fulda catchment area is improved significantly. After calibration of the model for the past 20th century observed streamflow, the SWAT model is driven by high resolution climate data of the regional model REMO using the IPCC scenarios A1B, A2, and B1, to generate future runoff time series for the 21th century for the various sub-basins in the study area. In a second step flood time series HQ(a) are derived from the 21st century runoff time series (scenarios A1B, A2, and B1). Then these flood projections are extensively tested with regard to stationarity, homogeneity and statistical independence. All these tests indicate that the SWAT-predicted 21st-century trends in the flood regime are not significant. Within the projected time the members of the flood time series are proven to be stationary and independent events. Hence, the classical stationary approach of flood frequency analysis can still be used within the Fulda catchment area, notwithstanding the fact that some regional climate change has been predicted using the IPCC scenarios. It should be noted, however, that the present results are not transferable to other catchment areas. Finally a new method is presented that enables the calculation of extreme flood statistics, even if the flood time series is non-stationary and also if the latter exhibits short- and longterm persistence. This method, which is called Flood Series Maximum Analysis here, enables the calculation of maximum design floods for a given risk- or safety level and time period.

Die Wirkungen von Extensivierungs- und Vertragsnaturschutzprogrammen auf die Entwicklung einer "gerade noch aktuellen Agrarlandschaft"

Erfolgskontrollen für Agrarumweltprogramme bezogen sich bisher meistens auf einzelne Flächen oder auf programmbezogene, großräumige Evaluationen. Es wurde jedoch kaum untersucht, wie sich die Maßnahmen auf die Entwicklung einzelner Naturräume auswirken. Auch gab es keine Studien, welche die Wechselwirkungen zwischen den Beweggründen der Landnutzer auf der ei-nen- sowie Landnutzung und Vegetation auf der anderen Seite interpretierten. Die Dissertation Wirkungen von Extensivierungs- und Vertragsnaturschutzprogrammen auf die Entwick-lung einer »gerade noch aktuellen Agrarlandschaft« hat diese Lücke geschlossen. Sie erklärt, welche Bedeutung die hessischen Programme HELP und HEKUL für den hohen Anteil naturschutzfachlich wertvollen Grünlands im Rommeroder Hügel-land westlich des Meißner haben. Untersuchungsgegenstand waren die Grünlandvegetation und die landwirtschaftlichen Betriebe mit ihren Menschen und deren Beweggründen. Diese Inhalte er-forderten eine Vorgehensweise, die sowohl sozialwissenschaftliche als auch naturwissenschaftliche Methoden einbindet, um Bezüge zwischen Betrieben und Grünlandvegetation zu er-kennen. Umfangreiche pflanzensoziologische Untersuchungen und Interviews der Betriebsleiter waren Grundlage für eine Schlagdatenbank und weitergehende Auswertungen. Die Interpretation vegetationskundlicher Erhebungen im Kontext betrieblicher Entscheidungen und Beweggründe erforderte es, althergebrachte Ansätze in neuer Form zu verknüpfen. Die Bewertung der Programmwirkungen stützte sich auf die Schlagdatenbank und auf vier Szena-rien zur zukünftigen Gebietsentwicklung bei unterschiedlichen Programmfortschreibungen. Zur Darstellung von Erhebungen und Ergebnissen entstand eine Vielzahl thematischer Karten. Der überdurchschnittlich hohe Anteil naturschutzfachlich bedeutsamer Grünlandtypen auf den Programmflächen und die Interpretation der Szenarien belegten eine hohe Wirksamkeit von HELP und HEKUL im Gebiet. Nicht nur auf den Vertragsnaturschutzflächen des HELP, sondern auch auf dem HEKUL-Grünland sind naturschutzfachlich bedeutende Vegetationstypen überproportional vertreten. Die vier Szenarien ließen erkennen, dass eine Beschränkung des HELP auf Schutzgebiete, eine Abschaffung der HEKUL-Grünlandextensivierung oder gar eine ersatzlose Strei-chung beider Programme zu erheblichen Verschlechterungen der naturschutzfachlichen Situation führen würde. Gleichzeitig war festzustellen, dass es ohne die landwirtschaftlich schwierigen natur-räumlichen Verhältnisse sowie eine eher großteilige Agrarstruktur mit überdurchschnittlich flächen-starken und wirtschaftlich stabilen Vollerwerbsbetrieben keine so deutlichen Programmwirkungen gegeben hätte. Auch die Tatsache, dass viele Landwirte eine intensive Landwirtschaft aus innerer Überzeugung ablehnen und mit einer erheblich geringeren Stickstoffintensität wirtschaften als es HEKUL verlangt, wirkte verstärkend. Die große Bedeutung individueller Beweggründe einzelner Betriebsleiter wurde auch in den engen Beziehungen einzelner Grünland-Pflanzengesellschaften zu bestimmten Betriebstypen und sogar einzelnen Höfen sichtbar, deren Beschreibung und Interpretation wichtige Erkenntnisse zu den so-zioökonomischen Voraussetzungen verschiedener Vegetationstypen lieferte. Für die zukünftige Entwicklung der hessischen Agrarumweltförderung empfiehlt die Dissertation eine Einführung und bevorzugte Anwendung ergebnisorientierter Honorierungsverfahren, eine bessere Berücksichtigung des gering gedüngten Grünlands über eine differenzierte Förderung sehr extensiver Düngeregime, eine stärkere Modularisierung des Gesamtprogramms und eine Durchführung aller Maßnahmen im Vertragsverfahren. Die betriebszweigbezogene Grünlandextensivierung sollte zukünftig in Kulissen angeboten werden, in denen ein verstärktes Wechseln von Betrieben in die Mindestpflege nach DirektZahlVerpflV zu erwarten ist.