Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Effects of fertility management strategies on phosphorus bioavailability in four West African soils

Low phosphorus (P) in acid sandy soils of the West African Sudano-Sahelian zone is a major limitation to crop growth. To compare treatment effects on total dry matter (TDM) of crops and plant available P (P-Bray and isotopically exchangeable P), field experiments were carried out for 2 years at four sites where annual rainfall ranged from 560 to 850 mm and topsoil pH varied between 4.2 and 5.6. Main treatments were: (i) crop residue (CR) mulch at 500 and 2000 kg ha^-1, (ii) eight different rates and sources of P and (iii) cereal/legume rotations including millet (Pennisetum glaucum L.), sorhum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata Walp.) and groundnut (Arachis hypogaea L.). For the two Sahelian sites with large CR-induced differences in TDM, mulching did not modify significantly the soils' buffering capacity for phosphate ions but led to large increases in the intensity factor (C_p) and quantity of directly available soil P (E_1min). In the wetter Sudanian zone lacking effects of CR mulching on TDM mirrored a decline of E_1min with CR. Broadcast application of soluble single superphosphate (SSP) at 13 kg P ha^-1 led to large increases in C_p and quantity of E_1min at all sites which translated in respective TDM increases. The high agronomic efficiency of SSP placement (4 kg P ha^-1) across sites could be explained by consistent increases in the quantity factor which confirms the power of the isotopic exchange method in explaining management effects on crop growth across the region.

Influence of the buffer environment on the Relative Biological Effectiveness of carbon ion radiation, investigated by Scanning Force Microscopy and gel electrophoresis

This work focuses on the analysis of the influence of environment on the relative biological effectiveness (RBE) of carbon ions on molecular level. Due to the high relevance of RBE for medical applications, such as tumor therapy, and radiation protection in space, DNA damages have been investigated in order to understand the biological efficiency of heavy ion radiation. The contribution of this study to the radiobiology research consists in the analysis of plasmid DNA damages induced by carbon ion radiation in biochemical buffer environments, as well as in the calculation of the RBE of carbon ions on DNA level by mean of scanning force microscopy (SFM). In order to study the DNA damages, besides the common electrophoresis method, a new approach has been developed by using SFM. The latter method allows direct visualisation and measurement of individual DNA fragments with an accuracy of several nanometres. In addition, comparison of the results obtained by SFM and agarose gel electrophoresis methods has been performed in the present study. Sparsely ionising radiation, such as X-rays, and densely ionising radiation, such as carbon ions, have been used to irradiate plasmid DNA in trishydroxymethylaminomethane (Tris buffer) and 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES buffer) environments. These buffer environments exhibit different scavenging capacities for hydroxyl radical (HO0), which is produced by ionisation of water and plays the major role in the indirect DNA damage processes. Fragment distributions have been measured by SFM over a large length range, and as expected, a significantly higher degree of DNA damages was observed for increasing dose. Also a higher amount of double-strand breaks (DSBs) was observed after irradiation with carbon ions compared to X-ray irradiation. The results obtained from SFM measurements show that both types of radiation induce multiple fragmentation of the plasmid DNA in the dose range from D = 250 Gy to D = 1500 Gy. Using Tris environments at two different concentrations, a decrease of the relative biological effectiveness with the rise of Tris concentration was observed. This demonstrates the radioprotective behavior of the Tris buffer solution. In contrast, a lower scavenging capacity for all other free radicals and ions, produced by the ionisation of water, was registered in the case of HEPES buffer compared to Tris solution. This is reflected in the higher RBE values deduced from SFM and gel electrophoresis measurements after irradiation of the plasmid DNA in 20 mM HEPES environment compared to 92 mM Tris solution. These results show that HEPES and Tris environments play a major role on preventing the indirect DNA damages induced by ionising radiation and on the relative biological effectiveness of heavy ion radiation. In general, the RBE calculated from the SFM measurements presents higher values compared to gel electrophoresis data, for plasmids irradiated in all environments. Using a large set of data, obtained from the SFM measurements, it was possible to calculate the survive rate over a larger range, from 88% to 98%, while for gel electrophoresis measurements the survive rates have been calculated only for values between 96% and 99%. While the gel electrophoresis measurements provide information only about the percentage of plasmids DNA that suffered a single DSB, SFM can count the small plasmid fragments produced by multiple DSBs induced in a single plasmid. Consequently, SFM generates more detailed information regarding the amount of the induced DSBs compared to gel electrophoresis, and therefore, RBE can be calculated with more accuracy. Thus, SFM has been proven to be a more precise method to characterize on molecular level the DNA damage induced by ionizing radiations.

Seismic behavior of capacity designed masonry walls in low seismicity regions

Eurocode 8 representing a new generation of structural design codes in Europe defines ‎requirements for the design of buildings against earthquake action. In Central and ‎Western Europe, the newly defined earthquake zones and corresponding design ground ‎acceleration values, will lead in many cases to earthquake actions which are remarkably ‎higher than those defined so far by the design codes used until now in Central Europe. ‎ In many cases, the weak points of masonry structures during an earthquake are the corner ‎regions of the walls. Loading of masonry walls by earthquake action leads in most cases ‎to high shear forces. The corresponding bending moment in such a wall typically causes a ‎significant increase of the eccentricity of the normal force in the critical wall cross ‎section. This in turn leads ultimately to a reduction of the size of the compression zone in ‎unreinforced walls and a high concentration of normal stresses and shear stresses in the ‎corner regions. ‎ Corner-Gap-Elements, consisting of a bearing beam located underneath the wall and ‎made of a sufficiently strong material (such as reinforced concrete), reduce the effect of ‎the eccentricity of the normal force and thus restricts the pinching effect of the ‎compression zone. In fact, the deformation can be concentrated in the joint below the ‎bearing beam. According to the principles of the Capacity Design philosophy, the ‎masonry itself is protected from high stresses as a potential cause of brittle failure. ‎ Shaking table tests at the NTU Athens Earthquake Engineering Laboratory have proven ‎the effectiveness of the Corner-Gap-Element. The following presentation will cover the ‎evaluation of various experimental results as well as a numerical modeling of the ‎observed phenomena.‎

Destructive and non-destructive measurements of residual crop residue and phosphorus effects on growth and composition of herbaceous fallow species in the Sahel

Little is known about the residual effects of crop residue (CR) and phosphorus (P) application on the fallow vegetation following repeated cultivation of pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.] in the Sahel. The objective of this study, therefore, was (i) to measure residual effects of CR, mulched at annual rates of 0, 500, 1000 and 2000 kg CR ha^-1, broadcast P at 0 and 13 kg P ha^-1 and P placement at 0, 1, 3, 5 and 7 kg P ha^-1 on the herbaceous dry matter (HDM) 2 years after the end of the experiment and (ii) to test a remote sensing method for the quantitative estimation of HDM. Compared with unmulched plots, a doubling of HDM was measured in plots that had received at least 500 kg CR ha^-1. Previous broadcast P application led to HDM increases of 14% compared with unfertilised control plots, whereas no residual effects of P placement were detected. Crop residue and P treatments caused significant shifts in flora composition. Digital analysis of colour photographs taken of the fallow vegetation and the bare soil revealed that the number of normalised green band pixels averaged per plot was highly correlated with HDM (r=0.86) and that red band pixels were related to differences in soil surface crusting. Given the traditional use of fallow vegetation as fodder, the results strongly suggest that for the integrated farming systems of the West African Sahel, residual effects of soil amendments on the fallow vegetation should be included in any comprehensive analysis of treatment effects on the agro-pastoral system.

Efficient phosphorus application strategies for increased crop production in sub-Saharan West Africa

Comparable data are lacking from the range of environments found in sub-Saharan West Africa to draw more general conclusions about the relative merits of locally available rockphosphate (RockP) in alleviating phosphorus (P) constraints to crop growth. To fill this gap, a multi-factorial field experiment was conducted over 4 years at eight locations in Niger, Burkina Faso and Togo. These ranged in annual rainfall from 510 to 1300 mm. Crops grown were pearl millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and maize (Zea mays L.) either continuously or in rotation with cowpea (Vigna unguiculata Walp.) and groundnut (Arachis hypogaea L.). Crops were subjected to six P fertiliser treatments comprising RockP and soluble P at different rates and combined with 0 and 60 kg N ha^-1. For legumes, time trend analyses showed P-induced total dry matter (TDM) increases between 28 and 72% only with groundnut. Similarly, rotation-induced raises in cereal TDM compared to cereal monoculture were only observed with groundnut. For cereals, at the same rate of application, RockP was comparable to single superphosphate (SSP) only at two millet sites with topsoil pH-KCl <4.2 and annual average rainfall >600 mm. Across the eight sites NPK placement at 0.4 g P per hill raised average cereal yields between 26 and 220%. This was confirmed in 119 on-farm trials revealing P placement as a promising strategy to overcome P deficiency as the regionally most growth limiting nutrient constraint to cereals.

Soil organic carbon management for sustainable land use in Sudano-Sahelian West Africa

Judged by their negative nutrient balances, low soil cover and low productivity, the predominant agro-pastoral farming systems in the Sudano-Sahelian zone of West Africa are highly unsustainable for crop production intensification. With kaolinite as the main clay type, the cation exchange capacity of the soils in this region, often less than 1 cmol_c kg^-1 soil, depends heavily on the organic carbon (Corg) content. However, due to low carbon sequestration and to the microbe, termite and temperature-induced rapid turnover rates of organic material in the present land-use systems, Corg contents of the topsoil are very low, ranging between 1 and 8 g kg^-1 in most soils. For sustainable food production, the availability of phosphorus (P) and nitrogen (N) has to be increased considerably in combination with an improvement in soil physical properties. Therefore, the adoption of innovative management options that help to stop or even reverse the decline in Corg typically observed after cultivating bush or rangeland is of utmost importance. To maintain food production for a rapidly growing population, targeted applications of mineral fertilisers and the effective recycling of organic amendments as crop residues and manure are essential. Any increase in soil cover has large effects in reducing topsoil erosion by wind and water and favours the accumulation of wind-blown dust high in bases which in turn improves P availability. In the future decision support systems, based on GIS, modelling and simulation should be used to combine (i) available fertiliser response data from on-station and on-farm research, (ii) results on soil productivity restoration with the application of mineral and organic amendments and (iii) our present understanding of the cause-effect relationships governing the prevailing soil degradation processes. This will help to predict the effectiveness of regionally differentiated soil fertility management approaches to maintain or even increase soil Corg levels.

Phosphorus placement an acid arenosols of the West African Sahel

Phosphorus (P) deficiency is a major constraint to pearl millet (Pennisetum glaucum L.) growth on acid sandy soils of the West African Sahel. To develop cost-effective fertilization strategies for cash poor farmers, experiments with pearl millet were conducted in southwestern Niger. Treatments comprised single superphosphate hill-placed at rates of 1, 3, 5 or 7 kg P ha^−1 factorially combined with broadcast P at a rate of 13 kg ha^−1. Nitrogen was applied as calcium ammonium nitrate at rates of 30 and 45 kg ha^−1. At low soil moisture, placement of single superphosphate in immediate proximity to the seed reduced seedling emergence. Despite these negative effects on germination, P placement resulted in much faster growth of millet seedlings than did broadcast P. With P application, potassium nutrition of millet was improved and seedling nitrogen uptake increased two- to three-fold, indicating that nitrogen was not limiting early millet growth. Averaged over the 1995 and 1996 cropping seasons, placed applications of 3, 5 and 7 kg P ha^−1 led to 72%, 81% and 88% respectively, of the grain yield produced by broadcasting 13 kg P ha^−1. Nitrogen application did not show major effects on grain yield unless P requirements were met. A simple economic analysis revealed that the profitability of P application, defined as additional income per unit of fertilizer, was highest for P placement at 3 and 5 kg ha^−1.

Effects of Different Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.

Agricultural practices and horizontal nutrient balances in urban gardens and the alternative use of urban agricultural land in Khartoum, Sudan

The surge in the urban population evident in most developing countries is a worldwide phenomenon, and often the result of drought, conflicts, poverty and the lack of education opportunities. In parallel with the growth of the cities is the growing need for food which leads to the burgeoning expansion of urban and peri-urban agriculture (UPA). In this context, urban agriculture (UA) contributes significantly to supplying local markets with both vegetable and animal produce. As an income generating activity, UA also contributes to the livelihoods of poor urban dwellers. In order to evaluate the nutrient status of urban soils in relation to garden management, this study assessed nutrient fluxes (inputs and outputs) in gardens on urban Gerif soils on the banks of the River Nile in Khartoum, the capital city of Sudan. To achieve this objective, a preliminary baseline survey was carried out to describe the structure of the existing garden systems. In cooperation with the author of another PhD thesis (Ms. Ishtiag Abdalla), alternative uses of cow dung in brick making kilns in urban Khartoum were assessed; and the socio-economic criteria of the brick kiln owners or agents, economical and plant nutritional value of animal dung and the gaseous emission related to brick making activities were assessed. A total of 40 household heads were interviewed using a semi-structured questionnaire to collect information on demographic, socio-economic and migratory characteristics of the household members, the gardening systems used and the problems encountered in urban gardening. Based on the results of this survey, gardens were divided into three groups: mixed vegetable-fodder gardens, mixed vegetable-subsistence livestock gardens and pure vegetable gardens. The results revealed that UA is the exclusive domain of men, 80% of them non-native to Khartoum. The harvested produce in all gardens was market oriented and represented the main source of income for 83% of the gardeners. Fast growing leafy vegetables such as Jew’s mallow (Corchorous olitorius L.), purslane (Portulaca oleracea L.) and rocket (Eruca sativa Mill.) were the dominant cultivated species. Most of the gardens (95%) were continuously cultivated throughout the year without any fallow period, unless they were flooded. Gardeners were not generally aware of the importance of crop diversity, which may help them overcome the strongly fluctuating market prices for their produce and thereby strengthen the contributions of UA to the overall productivity of the city. To measure nutrient fluxes, four gardens were selected and their nutrients inputs and outputs flows were monitored. In each garden, all plots were monitored for quantification of nutrient inputs and outputs. To determine soil chemical fertility parameters in each of the studied gardens, soil samples were taken from three selected plots at the beginning of the study in October 2007 (gardens L1, L2 and H1) and in April 2008 (garden H2) and at the end of the study period in March 2010. Additional soil sampling occurred in May 2009 to assess changes in the soil nutrient status after the River Nile flood of 2008 had receded. Samples of rain and irrigation water (river and well-water) were analyzed for nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and carbon (C) content to determine their nutrient inputs. Catchment traps were installed to quantify the sediment yield from the River Nile flood. To quantify the nutrient inputs of sediments, samples were analyzed for N, P, K and organic carbon (Corg) content, cation exchange capacity (CEC) and the particle size distribution. The total nutrient inputs were calculated by multiplying the sediment nutrient content by total sediment deposits on individual gardens. Nutrient output in the form of harvested yield was quantified at harvest of each crop. Plant samples from each field were dried, and analyzed for their N, P, K and Corg content. Cumulative leaching losses of mineral N and P were estimated in a single plot in garden L1 from December 1st 2008 to July 1st 2009 using 12 ion exchange resins cartridges. Nutrients were extracted and analyzed for nitrate (NO3--N), ammonium (NH4+-N) and phosphate PO4-3-P. Changes in soil nutrient balance were assessed as inputs minus outputs. The results showed that across gardens, soil N and P concentrations increased from 2007 to 2009, while particle size distribution remained unchanged. Sediment loads and their respective contents of N, P and Corg decreased significantly (P < 0.05) from the gardens of the downstream lowlands (L1 and L2) to the gardens of the upstream highlands (H1 and H2). No significant difference was found in K deposits. None of the gardens received organic fertilizers and the only mineral fertilizer applied was urea (46-0-0). This equaled 29, 30, 54, and 67% of total N inputs to gardens L1, L2, H1, and H2, respectively. Sediment deposits of the River Nile floods contributed on average 67, 94, 6 and 42% to the total N, P, K and C inputs in lowland gardens and 33, 86, 4 and 37% of total N, P, K and C inputs in highland gardens. Irrigation water and rainfall contributed substantially to K inputs representing 96, 92, 94 and 96% of total K influxes in garden L1, L2, H1 and H2, respectively. Following the same order, total annual DM yields in the gardens were 26, 18, 16 and 1.8 t ha-1. Annual leaching losses were estimated to be 0.02 kg NH4+-N ha-1 (SE = 0.004), 0.03 kg NO3--N ha-1 (SE = 0.002) and 0.005 kg PO4-3-P ha-1 (SE = 0.0007). Differences between nutrient inputs and outputs indicated negative nutrient balances for P and K and positive balances of N and C for all gardens. The negative balances in P and K call for adoptions of new agricultural techniques such as regular manure additions or mulching which may enhance the soil organic matter status. A quantification of fluxes not measured in our study such as N2-fixation, dry deposition and gaseous emissions of C and N would be necessary to comprehensively assess the sustainability of these intensive gardening systems. The second part of the survey dealt with the brick making kilns. A total of 50 brick kiln owners/or agents were interviewed from July to August 2009, using a semi-structured questionnaire. The data collected included general information such as age, family size, education, land ownership, number of kilns managed and/or owned, number of months that kilns were in operation, quantity of inputs (cow dung and fuel wood) used, prices of inputs and products across the production season. Information related to the share value of the land on which the kilns were built and annual income for urban farmers and annual returns from dung for the animal raisers was also collected. Using descriptive statistics, budget calculation and Gini coefficient, the results indicated that renting the land to brick making kilns yields a 5-fold higher return than the rent for agriculture. Gini coefficient showed that the kiln owners had a more equal income distribution compared to farmers. To estimate emission of greenhouse gases (GHGs) and losses of N, P, K, Corg and DM from cow dung when used in brick making, samples of cow dung (loose and compacted) were collected from different kilns and analyzed for their N, P, K and Corg content. The procedure modified by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 1994) was used to estimate the gaseous emissions of cow dung and fuel wood. The amount of deforested wood was estimated according to the default values for wood density given by Dixon et al. (1991) and the expansion ratio for branches and small trees given by Brown et al. (1989). The data showed the monetary value of added N and P from cow dung was lower than for mineral fertilizers. Annual consumption of compacted dung (381 t DM) as biomass fuel by far exceeded the consumption of fuel wood (36 t DM). Gaseous emissions from cow dung and fuel wood were dominated by CO2, CO and CH4. Considering that Gerif land in urban Khartoum supports a multifunctional land use system, efficient use of natural resources (forest, dung, land and water) will enhance the sustainability of the UA and brick making activities. Adoption of new kilns with higher energy efficiency will reduce the amount of biomass fuels (cow dung and wood) used the amount of GHGs emitted and the threat to the few remaining forests.

Evaluation of water retention capacity and flood control function of the forest catchment

This research quantitatively evaluates the water retention capacity and flood control function of the forest catchments by using hydrological data of the large flood events which happened after the serious droughts. The objective sites are the Oodo Dam and the Sameura Dam catchments in Japan. The kinematic wave model, which considers saturated and unsaturated sub-surface soil zones, is used for the rainfall-runoff analysis. The result shows that possible storage volume of the Oodo Dam catchment is 162.26 MCM in 2005, while that of Samerua is 102.83 MCM in 2005 and 102.64 MCM in 2007. Flood control function of the Oodo Dam catchment is 173 mm in water depth in 2005, while the Sameura Dam catchment 114 mm in 2005 and 126 mm in 2007. This indicates that the Oodo Dam catchment has more than twice as big water capacity as its capacity (78.4 mm), while the Sameura Dam catchment has about one-fifth of the its storage capacity (693 mm).

Effects of phosphorus and water stress on shoot and root growth and on mycorrhization of different pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) varieties from West Africa

This research work aimed at investigating the physiological mechanisms of tolerance of pearl millet to low soil Phosphorus availability and drought under the Sahelian conditions.