Drainage, salt leaching and physico-chemical properties of irrigated man-made terrace soils in a mountain oasis of northern Oman

Little is known about the sustainability of irrigated oasis agriculture in northern Oman. The objective of this study therefore was to examine which factors allowed agricultural productivity to be apparently maintained during the two millenia of a mountain oasis’ existence. Soil moisture and physico-chemical properties were measured in a typical flood-irrigated field sown to alfalfa (Medicago sativa L.). Particle size, organic (C_org) and inorganic carbon content, pH and electrical conductivity (EC)of the soil profile were analyzed at 0.15, 0.45 and 1.00 m. Saturated hydraulic conductivity and the soil’s apparent bulk density and water potential were determined from undisturbed samples at 0.05, 0.25 and 0.60 m. During irrigation cycles of 6–9 days, volumetric water contents ranged from 30% to 13%. A tracer experiment with potassium bromide revealed that 52–56% of the irrigation water was stored in the upper 0.4 m of the soil. The rest of the water moved further down the profile, thus providing the necessary drainage to avoid the build-up of toxic salt concentrations. Due to differences in pore size, plant-available water in the topsoil amounted to 18.7% compared to 13% and 13.5% at 0.25- and 0.60-m depth, respectively. The aggregate structure in the upper 1.0 m of the profile is likely preserved by concentrations of calcium carbonate (CaCO3) from 379 to 434 mg kg^-1 and C_org from 157 to 368 mg kg^-1 soil. The data indicate that the sustainability of this irrigated landuse system is due to high water quality with low sodium but high CaCO3 concentration, the elaborate terrace structure and water management which allows adequate drainage.

Alley cropping of willows and grassland for bioenergy provision: productivity, tree-crop interactions and energy balance

The demand for biomass for bioenergy has increased rapidly in industrialized countries in the recent years. Biogenic energy carriers are known to reduce CO2 emissions. However, the resource-inefficient production of biomass often caused negative impacts on the environment, e.g. biodiversity losses, nitrate leaching, and erosion. The detrimental effects evolved mainly from annual crops. Therefore, the aim of modern bioenergy cropping systems is to combine yield stability and environmental benefits by the establishment of mixed-cropping systems. A particular emphasis is on perennial crops which are perceived as environmentally superior to annual crops. Agroforestry systems represent such mixed perennial cropping systems and consist of a mix of trees and arable crops or grassland within the same area of land. Agroforestry practices vary across the globe and alley cropping is a type of agroforestry system which is well adapted to the temperate zone, with a high degree of mechanization. Trees are planted in rows and crops are planted in the alleyways, which facilitates their management by machinery. This study was conducted to examine a young alley cropping system of willows and two grassland mixtures for bioenergy provision under temperate climate conditions. The first part of the thesis identified possible competition effects between willows and the two grassland mixtures. Since light seemed to be the factor most affecting the yield performance of the understory in temperate agroforestry systems, a biennial in situ artificial shade experiment was established over a separate clover-grass stand to quantify the effects of shade. Data to possible below- and aboveground interactions among willows and the two grassland mixtures and their effects on productivity, sward composition, and quality were monitored along a tree-grassland interface within the alleys. In the second part, productivity of the alley cropping system was examined on a triennial time frame and compared to separate grassland and willow stands as controls. Three different conversion technologies (combustion of hay, integrated generation of solid fuel and biogas from biomass, whole crop digestion) were applied to grassland biomass as feedstock and analyzed for its energetic potential. The energetic potential of willow wood chips was calculated by applying combustion as conversion technique. Net energy balances of separate grassland stands, agroforestry and pure willow stands evaluated their energy efficiency. Results of the biennial artificial shade experiment showed that severe shade (80 % light reduction) halved grassland productivity on average compared to a non-shaded control. White clover as heliophilous plant responded sensitively to limited radiation and its dry matter contribution in the sward decreased with increasing shade, whereas non-leguminous forbs (mainly segetal species) benefited. Changes in nutritive quality could not be confirmed by this experiment. Through the study on interactions within the alleys of the young agroforestry system it was possible to outline changes of incident light, soil temperature and sward composition of clover-grass along the tree-grassland interface. Nearly no effects of trees on precipitation, soil moisture and understory productivity occurred along the interface during the biennial experiment. Considering the results of the productivity and the net energy yield alley cropping system had lower than pure grassland stands, irrespective of the grassland seed mixture or fertilization, but was higher than that for pure willow stands. The comparison of three different energetic conversion techniques for the grassland biomass showed highest net energy yields for hay combustion, whereas the integrated generation of solid fuel and biogas from biomass (IFBB) and whole crop digestion performed similarly. However, due to the low fuel quality of hay, its direct combustion cannot be recommended as a viable conversion technique, whereas IFBB fuels were of a similar quality to wood chip from willow.

Produktion und Nutzung von mikrobiellen Residuen als labile Zwischenspeicher für Nährstoffe

Mit dem Ziel, die Bildung und den Verbrauch von mikrobiellen Residuen zu ermitteln, wurden zwei Inkubationsversuche durchgeführt. Die Versuchsdauer betrug jeweils 67 Tage, wobei an den Tagen 5, 12, 33, 38, 45 und 67 Proben entnommen und auf Ct, Cmik, CO2 sowie die δ13C-Werte, Nt, Nmin und Ergosterol untersucht wurden. In Versuch 1 wurden als leicht umsetzbare Kohlenstoffquelle 3 mg C4-Kohlenstoff g-1Boden in Form von Rohrzucker bzw. Maiscellulose und als N-Ausgleich 200 µg NH4NO3-N g-1Boden hinzugegeben. Der verwendete Boden war ein Lößboden. In Versuch 2 wurden 3 mg C4-Kohlenstoff g-1Boden in Form von Rohrzucker und 100 µg NH4NO3-N g-1Boden in den Boden eingearbeitet. Als Substrat wurde hier ein gebrannter Lößboden verwendet. Bei beiden Versuchen erfolgte an Tag 33 nochmals eine Zugabe von 3 mg C3-Kohlenstoff g-1Boden in Form von Cellulose. Die Zugabe des C4-Kohlenstoffs führte in beiden Versuchen zu einer Zunahme des C4-Anteils in der mikrobiellen Biomasse. Insgesamt wurden im ersten Versuch ca. 78 % des C4-Kohlenstoffs und im zweiten Versuch ca. 64 % mineralisiert. In Versuch 1 wurde bei der Rohrzuckervariante der größte Teil an C4-C innerhalb der ersten 5 Tage mineralisiert, in der Cellulosevariante konnte dagegen eine geringere, aber länger anhaltende Mineralisation bis Tag 33 beobachtet werden. Dies sowie die Entwicklung des C4-C der mikrobiellen Biomasse deuten darauf hin, dass die Cellulose erst zu diesem Zeitpunkt vollständig umgesetzt war, der Rohrzucker dagegen aber schon nach 5 Inkubationstagen. Der Anteil an C4-C in den mikrobiellen Residuen lag an Tag 33 bei 28 % (Cellulosevariante) bzw. 22 % (Rohrzuckervariante) des zugegebenen C4-Kohlenstoffs. Dagegen lag im zweiten Versuch der Anteil an C4-Kohlenstoff in den mikrobiellen Residuen bei 40 %. In Versuch 1 führte die Zugabe der C3-Cellulose an Tag 33 nicht zu einem Verbrauch von mikrobiellen Residuen, im Versuch 2 hingegen zu einer signifikanten Abnahme. Der zugegebene Stickstoff wurde in beiden Versuchen durch die Zugabe des Rohrzuckers in hohen Anteilen immobilisiert, aber nur in geringem Umfang in die mikrobielle Biomasse inkorporiert. An Tag 33 lag der Anteil Stickstoff in den mikrobiellen Residuen bei 52 % (Versuch 1) bzw. 84 % (Versuch 2) des zugegebenen Stickstoffs. In Versuch 1 setzte nach 33 Tagen eine Remineralisation des immobilisierten Stickstoffs ein, unabhängig von der Zugabe der C3-Cellulose. In Versuch 2 wurde der immobilisierte Stickstoff zu keinem Zeitpunkt remineralisiert. Die Zugabe der C3-Cellulose führte hier nicht zu einer Remineralisation des immobilisierten Stickstoffs. Es bestätigte sich die Annahme, dass durch die Zugabe von leicht umsetzbaren Kohlstoffsubstraten die Bildung von mikrobiellen Residuen gesteigert werden kann. Die zweite Annahme, dass durch die Zugabe von N-freiem Substrat, hier C3-Cellulose, die mikrobiellen Residuen bevorzugt abgebaut werden, konnte nicht bestätigt werden.

Die Natur als Erholungs(t)raum

Zur Erholung in die Natur gehen oder doch lieber zur Natursimulation greifen? Intuitiv würden die meisten Menschen der Natur einen größeren Erholungswert zusprechen als einer Natursimulation. Aber ist die Natur tatsächlich erholsamer? In der Naturerholungsforschung (Restorative Environment Research) kommen häufig Natursimulationen zum Einsatz, um die erholsame Wirkung von Natur zu ermitteln. Problematisch ist dabei, dass deren ökologische Validität und Vergleichbarkeit noch nicht empirisch abgesichert ist. Vorliegende Arbeit setzt an dieser methodischen und empirischen Lücke an. Sie überprüft sowohl die ökologische Validität als auch die Vergleichbarkeit von Natursimulationen. Dazu wird die erholsame Wirkung von zwei Natursimulationen im Vergleich zu der physisch-materiellen Natur empirisch untersucht und verglichen. Darüber hinaus werden Aspekte des subjektiven Erlebens und der Bewertung im Naturerholungskontext exploriert. Als bedeutsamer Wirkmechanismus wird die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit angesehen, die sich auf die Erlebnisqualität von Natursimulationen und der physisch-materiellen Natur bezieht: Natursimulationen weisen im Vergleich zur physisch-materiellen Natur eine reduzierte Erlebnisqualität auf (erlebnisbezogene Künstlichkeit), z.B. eine reduzierte Qualität und Quantität der Sinnesansprache. Stellt man einen derartigen Vergleich nicht nur mit der physisch-materiellen Natur, sondern mit unterschiedlichen Natursimulationstypen an, dann zeigen sich auch hier Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit. Beispielsweise unterscheidet sich ein Naturfoto von einem Naturfilm durch das Fehlen von auditiven und bewegten Stimuli. Diese erlebnisbezogene Künstlichkeit kann die erholsame Wirkung von Natur - direkt oder indirekt über Bewertungen - hemmen. Als Haupthypothese wird angenommen, dass mit zunehmendem Ausmaß an erlebnisbezogener Künstlichkeit die erholsame Wirkung der Natur abnimmt. Dem kombinierten Feld- und Laborexperiment liegt ein einfaktorielles Vorher-Nachher-Design zugrunde. Den 117 Probanden wurde zunächst eine kognitiv und affektiv belastende Aufgabe vorgelegt, danach folgte die Erholungsphase. Diese bestand aus einem Spaziergang, der entweder in der physisch-materiellen Natur (urbaner Park) oder in einer der beiden audio-visuellen Natursimulationen (videogefilmter vs. computergenerierter Spaziergang durch selbigen urbanen Park) oder auf dem Laufband ohne audio-visuelle Darbietung stattfand. Die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit wurde also wie folgt operationlisiert: die physische Natur steht für die erlebnisbezogene Natürlichkeit. Die beiden Natursimulationen stehen für die erlebnisbezogene Künstlichkeit. Die computergenerierte Version ist im Vergleich zur Videoversion erlebnisbezogen künstlicher, da sie weniger fotorealistisch ist. Die Zuordnung zu einer der vier experimentellen Erholungssettings erfolgte nach dem Zufallsprinzip. Die Effekte von moderater Bewegung wurden in den Natursimulationen durch das Laufen auf dem Laufband kontrolliert. Die Beanspruchungs- bzw. Erholungsreaktionen wurden auf kognitiver (Konzentriertheit, Aufmerksamkeitsleistung) affektiver (3 Befindlichkeitsskalen: Wachheit, Ruhe, gute Stimmung) und physiologischer (Alpha-Amylase) Ebene gemessen, um ein umfassendes Bild der Reaktionen zu erhalten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die beiden Natursimulationen trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit zu relativ ähnlichen Erholungsreaktionen führen, wie die physisch-materielle Natur. Eine Ausnahme stellen eine der drei affektiven (Wachheit) und die physiologische Reaktion dar: Probanden der physisch-materiellen Naturbedingung geben an wacher zu sein und weisen - wider erwarten - eine höhere physiologische Erregung auf. Demnach ist die physisch-materielle Natur nicht grundsätzlich erholsamer als die Natursimulationen. Die Hypothese ließ sich somit nicht bestätigen. Vielmehr deuten sich komplexe Erholungsmuster und damit auch unterschiedliche Erholungsqualitäten der Settings an, die einer differenzierten Betrachtung bedürfen. Für die ökologische Validität von Natursimulationen gilt, dass diese nur mit Einschränkung als ökologisch valide bezeichnet werden können, d.h. nur für bestimmte, aber nicht für alle Erholungsreaktionen. Die beiden Natursimulationen führen ebenfalls trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit zu ähnlichen Erholungsreaktionen und können somit als gleichwertig behandelt werden. Erstaunlicherweise kommt es hier zu ähnlichen Erholungsreaktionen, obwohl die bestehenden Unterschiede von den Probanden wahrgenommen und die erlebnisbezogen künstlichere computergenerierte Version negativer bewertet wird. Aufgrund der nicht erwartungskonformen Ergebnisse muss das Erklärungskonzept der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit infrage gestellt werden. Alternative Erklärungskonzepte für die Ergebnisse („Ungewissheit“, mentale räumliche Modelle), die sich andeutenden unterschiedlichen Erholungsqualitäten der Settings, methodische Einschränkungen sowie die praktische Bedeutung der Ergebnisse werden kritisch diskutiert.

Effects of transformation processes in 'jubraka' agroforestry systems of the Nuba Mountains, Sudan, on nutrient fluxes

Intensification processes in homegardens of the Nuba Mountains, Sudan, raise concerns about strongly positive carbon (C) and nutrient balances which are expected to lead to substantial element losses from these agroecosystems, in particular via soil gaseous emissions. Therefore, this thesis aimed at the quantification of C, nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) input and output fluxes with a special focus on soil gaseous losses, and the calculation of respective element balances. A further focus in this thesis was rainfall, a valuable resource for rain-fed agriculture in the Nuba Mountains. To minimize negative consequences of the high variability of rainfall, risk reducing mechanisms were developed by rain-fed farmers that may lose their efficacy in the course of climate change effects predicted for East Africa. Therefore, the second objective of this study was to examine possible changes in rainfall amounts during the last 60 years and to provide reliable risk and probability statements of rainfall-induced events of agricultural importance to rain-fed farmers in the Nuba Mountains. Soil gaseous emissions of C (in form of CO2) and N (in form of NH3 and N2O) of two traditional and two intensified homegardens were determined with a portable dynamic closed chamber system. For C gaseous emission rates reached their peak at the onset of the rainy season (2,325 g CO2-C ha-1 h-1 in an intensified garden type) and for N during the rainy season (16 g NH3-N ha-1 h-1 and 11.3 g N2O-N ha-1 h-1, in a traditional garden type). Data indicated cumulative annual emissions of 5,893 kg CO2-C ha-1, 37 kg NH3-N ha-1, and 16 kg N2O-N ha-1. For the assessment of the long-term productivity of the two types of homegardens and the identification of pathways of substantial element losses, a C and nutrient budget approach was used. In three traditional and three intensified homegardens observation plots were selected. The following variables were quantified on each plot between June and December in 2010: soil amendments, irrigation, biomass removal, symbiotic N2 fixation, C fixation by photosynthesis, atmospheric wet and dry deposition, leaching and soil gaseous emissions. Annual balances for C and nutrients amounted to -21 kg C ha-1, -70 kg N ha-1, 9 kg P ha-1 and -117 kg K ha-1 in intensified homegardens and to -1,722 kg C ha-1, -167 kg N ha-1, -9 kg P ha-1 and -74 kg K ha-1 in traditional homegardens. For the analysis of rainfall data, the INSTAT+ software allowed to aggregate long-term daily rainfall records from the Kadugli and Rashad weather stations into daily, monthly and annual intervals and to calculate rainfall-induced events of agricultural importance. Subsequently, these calculated values and events were checked for possible monotonic trends by Mann-Kendall tests. Over the period from 1970 to 2009, annual rainfall did not change significantly for either station. However, during this period an increase of low rainfall events coinciding with a decline in the number of medium daily rainfall events was observed in Rashad. Furthermore, the availability of daily rainfall data enabled frequency and conditional probability calculations that showed either no statistically significant changes or trends resulting only in minor changes of probabilities.