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.

Nutrient cycling and nutrient use efficiency in urban and peri-urban agriculture of Kabul, Afghanistan

Like elsewhere also in Kabul, Afghanistan urban and peri-urban agriculture (UPA) has often been accused of being resource inefficient and unsustainable causing negatives externalities to community health and to the surroundings. These arise from the inappropriate management and use of agricultural inputs, including often pesticides and inter-city wastes containing heavy metal residues and pathogens. To address these concerns, parallel studies with the aims of quantification of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) horizontal and vertical fluxes; the assessment of heavy metal and pathogen contaminations of UPA produce, and an economic analysis of cereal, vegetable and grape production systems conducted for two years in UPA of Kabul from April 2008 to October 2009. The results of the studies from these three UPA diverse production systems can be abridged as follows: Biennial net balances in vegetable production systems were positive for N (80 kg ha-1 ), P (75 kg ha-1) and C (3,927 kg ha-1), negative for K (-205 kg ha-1), whereas in cereal production systems biennial horizontal balances were positive for P (20 kg ha-1 ) and C (4,900 kg ha-1) negative for N (-155 kg ha-1) and K (-355 kg ha-1) and in vineyards corresponding values were highly positive for N (295 kg ha-1), P (235 kg ha-1), C (3,362 kg ha-1) and slightly positive for K (5 kg ha-1). Regardless of N and C gaseous emissions, yearly leaching losses of N and P in selected vegetable gardens varied from 70 - 205 kg N ha-1 and 5 - 10 kg P ha-1. Manure and irrigation water contributed on average 12 - 79% to total Inputs of N, P, K and C, 10 - 53% to total inputs of C in the gardens and fields. The elevated levels of heavy metal and pathogen loads on fresh UPA vegetables reflected contamination from increasing traffic in the city, deposits of the past decades of war, lacking collection and treatment of raw inter-city wastes which call for solutions to protect consumer and producer health and increase reliability of UPA productions. A cost-revenue analysis of all inputs and outputs of cereal, vegetable and grapes production systems over two years showed substantial differences in net UPA household income. To confirm these results, more detailed studies are needed, but tailoring and managing the optimal application of inputs to crop needs will significantly enhance farmer’s better revenues as will as environmental and produce quality.

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.

Untersuchungen zu Controlled Traffic Farming und satellitenbasierten Lenksystemen

Diese Arbeit behandelt Controlled Traffic Farming (CTF) Anbausysteme, bei denen für alle Arbeitsgänge satellitengesteuert immer dieselben Fahrspuren benutzt werden. Lässt sich mit CTF die Belastung des Bodens verringern und die Effizienz von Direktsaat-Anbausystemen steigern? Neben agronomischen und bodenphysikalischen Parametern wurden Auswirkungen von Lenksystemen und Umsetzungsmöglichkeiten von CTF in die Praxis untersucht. Die Analyse einer CTF-Umsetzung unter europäischen Bedingungen mit der Verwendung von Standardmaschinen zeigte, dass sich CTF-Anbausysteme mit den heute zur Verfügung stehenden Maschinen für Dauergrünland, Mähdruschfrüchte und Mais auf kleiner und grösser strukturierten Flächen relativ einfach mechanisieren lassen. Bei Zuckerrüben und Kartoffeln können Kompromisse notwendig sein. Generell erfordern CTF-Anbausysteme eine sorgfältige Planung und Umsetzung in die Praxis. Im dreijährigen Feldversuch (Winterweizen, Wintergerste, Kunstwiese mit Kleegrasmischung) auf einem Lehmboden wurde CTF-Direktsaat mit konventionell zufällig befahrenen Direktsaat- und Pflugverfahren verglichen. Unter CTF zeigte sich eine Differenzierung der nicht, gering und intensiv befahrenen Varianten. Auf dem vorliegenden kompakten Boden mit 1150 mm Jahresniederschlag waren die Unterschiede zwischen den nicht befahrenen Flächen und den mit niedrigem Kontaktflächendruck befahrenen Flächen eher gering. In den nicht befahrenen Flächen entwickelten Eindringwiderstand und Kohlendioxidgehalt der Bodenluft nach drei Jahren signifikant bessere Werte. Bodendichte und Porosität zeigten hingegen keinen eindeutig interpretierbaren Trend. Aufgrund teils suboptimaler Feldaufgänge liess sich keine generelle agronomische Tendenz ableiten. Die intensive Befahrung der Pflegefahrgassen zeigte allerdings klar negative bodenkundliche und planzenbauliche Auswirkungen. Es bietet sich daher an, vor allem für Pflegearbeiten permanent dieselben Fahrspuren zu nutzen. In der Untersuchung zu den Auswirkungen von Lenksystemen zeigten sich signifikante Vorteile von Lenksystemen in einer Verminderung der Fahrerbelastung und einer höheren Lenkgenauigkeit vor allem bei grossen Arbeitsbreiten ohne Spuranreisser. Die meisten anderen Messparameter waren mit Lenksystem leicht vorteilhafter als ohne, unterschieden sich aber nicht signifikant voneinander. Fahrer und naturräumliche Gegebenheiten wie die Schlagform hatten einen wesentlich grösseren Einfluss. Gesamthaft betrachtet erweitert CTF in Kombination mit weiteren Bodenschutzmass-nahmen die Möglichkeiten, Bodenverdichtungen zu vermeiden, den Bedarf an energieintensiver Bodenlocke-rung zu reduzieren und die Entwicklung einer stabileren Bodenstruktur mit höherer Tragfähigkeit zu fördern. Zusammen mit einer an Kultur und Anbausystem angepassten Saatbettbereitung und den in geraden Reihen einfacher durchführbaren mechanischen Pflegemassnahmen ergeben sich gute Voraussetzungen für die Gestaltung agronomisch leistungsfähiger und ökologisch nachhaltiger Anbausysteme.