Learning for Sustainability - LforS: An extension approach in small scale farming

Description of LforS as a integrativ and learning oriented extension approach

Genetic composition, genetic diversity, and small-scale environmental variation matter for the experimental reintroduction of a rare plant

Aims Reintroduction has become an important tool for the management of endangered plant species. We tested the little-explored effects of small-scale environmental variation, genotypic composition (i.e. identity of genotypes), and genotypic diversity on the population survival of the regionally rare clonal plant Ranunculus reptans. For this species of periodically inundated lakeshores genetic differentiation had been reported between populations and between short-flooded and long-flooded microsites within populations.Methods We established 306 experimental test populations at a previously unoccupied lake shore, comprising either monocultures of 32 genotypes, mixtures of genotypes within populations or mixtures of genotypes between populations. In 2000, three years after planting out at the experimental site, a long-lasting flood caused the death of half of the experimental populations. In 2003, an extreme drought resulted in the lowest summer water levels ever measured.Important findings Despite these climatic extremes, 27 of the established populations survived until the end of the experiment in December 2003. The success of experimental populations largely differed between microsites. Moreover, the success of genotype monocultures depended on genotype and source population. Genetic differentiation between microsites played a minor role for the success of reintroduction. After the flood, populations planted with genotypes from different source populations increased in abundance, whereas populations with genotypes from single source populations and genotype monocultures decreased. We conclude that sources for reintroductions need to be selected carefully. Moreover, mixtures of plants from different populations appear to be the best choice for successful reintroduction, at least in unpredictably varying environments.

Temporal and small-scale spatial variation in grassland productivity, biomass quality, and nutrient limitation

Characterization of spatial and temporal variation in grassland productivity and nutrition is crucial for a comprehensive understanding of ecosystem function. Although within-site heterogeneity in soil and plant properties has been shown to be relevant for plant community stability, spatiotemporal variability in these factors is still understudied in temperate grasslands. Our study aimed to detect if soil characteristics and plant diversity could explain observed small-scale spatial and temporal variability in grassland productivity, biomass nutrient concentrations, and nutrient limitation. Therefore, we sampled 360 plots of 20 cm × 20 cm each at six consecutive dates in an unfertilized grassland in Southern Germany. Nutrient limitation was estimated using nutrient ratios in plant biomass. Absolute values of, and spatial variability in, productivity, biomass nutrient concentrations, and nutrient limitation were strongly associated with sampling date. In April, spatial heterogeneity was high and most plots showed phosphorous deficiency, while later in the season nitrogen was the major limiting nutrient. Additionally, a small significant positive association between plant diversity and biomass phosphorus concentrations was observed, but should be tested in more detail. We discuss how low biological activity e.g., of soil microbial organisms might have influenced observed heterogeneity of plant nutrition in early spring in combination with reduced active acquisition of soil resources by plants. These early-season conditions are particularly relevant for future studies as they differ substantially from more thoroughly studied later season conditions. Our study underlines the importance of considering small spatial scales and temporal variability to better elucidate mechanisms of ecosystem functioning and plant community assembly.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Linking livelihood strategies with a regional level landscape mosaic to explore trade-offs between forest conservation and human wellbeing in a Madagascar biodiversity hotspot

The north-eastern escarpment of Madagascar contains the island’s last remaining large-scale humid forest massifs surrounded by diverse small-scale agricultural mosaics. There is high deforestation mainly caused by shifting cultivation practiced by local land users to produce upland rice for subsistence. Today, large protected areas restrict land users’ access to forests to collect wood and other forest products. Moreover, they are no more able to expand their cultivated land, which leads to shorter shifting cultivation cycles and decreasing plot sizes for irrigated rice and cash crop cultivation. Cash crop production of clove and vanilla is exposed to risks such as extreme inter-annual price fluctuations, pests and cyclones. In the absence of work opportunities, agricultural extension services and micro-finance schemes people are stuck in a poverty trap. New development strategies are needed to mitigate the trade-offs between forest conservation and human well-being. As landscape composition and livelihood strategies vary across the region, these strategies need to be spatially differentiated to avoid implementing generic solutions, which do not fit the local context. However, up to date, little is known about the spatial patterns of shifting cultivation and other land use systems at the regional level. This is mainly due to the high spatial and temporal dynamics inherent to shifting cultivation, which makes it difficult to monitor the dynamics of this land use system with remote sensing methods. Furthermore, knowledge about land users’ livelihood strategies and the risks and opportunities they face stems from very few local case studies. To overcome this challenge, firstly, we used remote sensing data and a landscape mosaic approach to delineate the main landscape types at the regional level. Secondly, we developed a land user typology based on socio-ecological data from household surveys in 45 villages spread throughout the region. Combining the land user typology with the landscape mosaic map allowed us to reveal spatial patterns of the interaction between landscapes and people and to better understand the trade-offs between forest conservation and local wellbeing. While shifting cultivation systems are being transformed into more intensive permanent agricultural systems in many countries around the globe, Madagascar seems to be an exception to this trend. Linking land cover information to human-environmental interactions over large areas is crucial to designing policies and to inform decision making for a more sustainable development of this resource-rich but poverty-prone context.

Large-scale land acquisitions in Peru: Land (re)-concentration, agrarian change and reactions from rural communities

More than 40 years after the agrarian reform, Peru is experiencing a renewed process of concentration of land ownership in the hands of large-scale investors, favoring the development of a sugar cane production cluster along the northern coast. The expansion of the agricultural frontier by means of large irrigation projects – originally developed to benefit medium- and small-scale farmers – is carried out today in order to be sold to large-scale investors for the production of export crops. In the region of Piura the increasing presence of large-scale biofuel investors puts substantial pressure on land and water resources, not only changing the use of and access to land for local communities, but also generating water shortages vis-à-vis the multiple water demands of local food producers. The changes in land relations and the agro-ecosystem, the altering food production regime as well as the increasing proletarization of smallholders, is driving many locals – even those which (initially) welcomed the investment – into resistance activities against the increasing control of land, water and other natural resources in the hands of agribusinesses. The aim of this presentation is to discuss the contemporary political, social and cultural dynamics of agrarian change along the northern Peruvian coast as well as the «reactions from below» emanating from campesino communities, landless laborers, brick producers, pastoralists as well as other marginalized groups. The different strategies, forms and practices of resistance with the goal of the «protection of the territory» shall be explored as well as the reasons for their rather scattered occurrence and the lack of alliances on the land issue. This input shall make a contribution to the on-going debate on individual and communal property rights and the question of what is best in terms of collective defense against land grabbing.

Stand scale variability of topsoil organic matter composition in a high-elevation Norway spruce forest ecosystem

Our knowledge about the effect of single-tree influence areas on the physicochemical properties of the underlying mineral soil in forest ecosystems is still limited. This restricts our ability to adequately estimate future changes in soil functioning due to forest management practices. We studied the stand scale spatial variation of different soil organic matter species investigated by 13C NMR spectroscopy, lignin phenol and neutral sugar analysis under an unmanaged mountainous high-elevation Norway spruce (Picea abies L.) forest in central Europe. Multivariate geostatistical approaches were applied to relate the spatial patterns of the different soil organic matter species to topographic parameters, bulk density, oxalate- and dithionite-extractable iron, pH, and the impact of tree distribution. Soil samples were taken from the mineral top soil. Generally, the stand scale distribution patterns of different soil organic matter compounds could be divided into two groups: Those compounds, which were significantly spatially correlated with topography/altitude and those with small scale spatial pattern (range ≤ 10 m) that was closely related to tree distribution. The concentration of plant-derived soil organic matter components, such as lignin, at a given sampling point was significantly spatially related to the distance of the nearest tree (p ≤ 0.05). In contrast, the spatial distribution of mainly microbial-derived compounds (e.g. galactose and mannose) could be attributed to the dominating impact of small-scale topography and the contribution of poorly crystalline iron oxides that were significantly larger in the central depression of the study site compared to crest and slope positions. Our results demonstrate that topographic parameters dominate the distribution of overall topsoil organic carbon (OC) stocks at temperate high-elevation forest ecosystems, particularly in sloped terrain. However, trees superimpose topography-controlled OC biogeochemistry beneath their crown by releasing litter and changing soil conditions in comparison to open areas. This may lead to distinct zones with different mechanisms of soil organic matter degradation and also stabilization in forest stands.

Comparing CFSR and conventional weather data for discharge and soil loss modelling with SWAT in small catchments in the Ethiopian Highlands

Accurate rainfall data are the key input parameter for modelling river discharge and soil loss. Remote areas of Ethiopia often lack adequate precipitation data and where these data are available, there might be substantial temporal or spatial gaps. To counter this challenge, the Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) of the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) readily provides weather data for any geographic location on earth between 1979 and 2014. This study assesses the applicability of CFSR weather data to three watersheds in the Blue Nile Basin in Ethiopia. To this end, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was set up to simulate discharge and soil loss, using CFSR and conventional weather data, in three small-scale watersheds ranging from 112 to 477 ha. Calibrated simulation results were compared to observed river discharge and observed soil loss over a period of 32 years. The conventional weather data resulted in very good discharge outputs for all three watersheds, while the CFSR weather data resulted in unsatisfactory discharge outputs for all of the three gauging stations. Soil loss simulation with conventional weather inputs yielded satisfactory outputs for two of three watersheds, while the CFSR weather input resulted in three unsatisfactory results. Overall, the simulations with the conventional data resulted in far better results for discharge and soil loss than simulations with CFSR data. The simulations with CFSR data were unable to adequately represent the specific regional climate for the three watersheds, performing even worse in climatic areas with two rainy seasons. Hence, CFSR data should not be used lightly in remote areas with no conventional weather data where no prior analysis is possible.

Large-scale dust jets in the coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko as seen by the OSIRIS instrument onboard Rosetta

Context. During the most recent perihelion passage in 2009 of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P), ground-based observations showed an anisotropic dust coma where jet-like features were detected at similar to 1.3 AU from the Sun. The current perihelion passage is exceptional as the Rosetta spacecraft is monitoring the nucleus activity since March 2014, when a clear dust coma was already surrounding the nucleus at 4.3 AU from the Sun. Subsequently, the OSIRIS camera also witnessed an outburst in activity between April 27 and 30, and since mid-July, the dust coma at rh similar to 3.7-3.6 AU preperihelion is clearly non-isotropic, pointing to the existence of dust jet-like features. Aims. We aim to ascertain on the nucleus surface the origin of the dust jet-like features detected as early as in mid-July 2014. This will help to establish how the localized comet nucleus activity compares with that seen in previous apparitions and will also help following its evolution as the comet approaches its perihelion, at which phase most of the jets were detected from ground-based observations. Determining these areas also allows locating them in regions on the nucleus with spectroscopic or geomorphological distinct characteristics. Methods. Three series of dust images of comet 67P obtained with the Wide Angle Camera (WAC) of the OSIRIS instrument onboard the Rosetta spacecraft were processed with different enhancement techniques. This was made to clearly show the existence of jet-like features in the dust coma, whose appearance toward the observer changed as a result of the rotation of the comet nucleus and of the changing observing geometry from the spacecraft. The position angles of these features in the coma together with information on the observing geometry, nucleus shape, and rotation, allowed us to determine the most likely locations on the nucleus surface where the jets originate from. Results. Geometrical tracing of jet sources indicates that the activity of the nucleus of 67P gave rise during July and August 2014 to large-scale jet-like features from the Hapi, Hathor, Anuket, and Aten regions, confirming that active regions may be present on the nucleus localized at 60. northern latitude as deduced from previous comet apparitions. There are also hints that large-scale jets observed from the ground are possibly composed, at their place of origin on the nucleus surface, of numerous small-scale features.