Assessing trends in land use change in the Borana rangeland Ethiopia as one cause of greenhouse gas emissions and carbon sequestration variations

Landnutzungsänderungen sind eine wesentliche Ursache von Treibhausgasemissionen. Die Umwandlung von Ökosystemen mit permanenter natürlicher Vegetation hin zu Ackerbau mit zeitweise vegetationslosem Boden (z.B. nach der Bodenbearbeitung vor der Aussaat) führt häufig zu gesteigerten Treibhausgasemissionen und verminderter Kohlenstoffbindung. Weltweit dehnt sich Ackerbau sowohl in kleinbäuerlichen als auch in agro-industriellen Systemen aus, häufig in benachbarte semiaride bis subhumide Rangeland Ökosysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht Trends der Landnutzungsänderung im Borana Rangeland Südäthiopiens. Bevölkerungswachstum, Landprivatisierung und damit einhergehende Einzäunung, veränderte Landnutzungspolitik und zunehmende Klimavariabilität führen zu raschen Veränderungen der traditionell auf Tierhaltung basierten, pastoralen Systeme. Mittels einer Literaturanalyse von Fallstudien in ostafrikanischen Rangelands wurde im Rahmen dieser Studie ein schematisches Modell der Zusammenhänge von Landnutzung, Treibhausgasemissionen und Kohlenstofffixierung entwickelt. Anhand von Satellitendaten und Daten aus Haushaltsbefragungen wurden Art und Umfang von Landnutzungsänderungen und Vegetationsveränderungen an fünf Untersuchungsstandorten (Darito/Yabelo Distrikt, Soda, Samaro, Haralo, Did Mega/alle Dire Distrikt) zwischen 1985 und 2011 analysiert. In Darito dehnte sich die Ackerbaufläche um 12% aus, überwiegend auf Kosten von Buschland. An den übrigen Standorten blieb die Ackerbaufläche relativ konstant, jedoch nahm Graslandvegetation um zwischen 16 und 28% zu, während Buschland um zwischen 23 und 31% abnahm. Lediglich am Standort Haralo nahm auch „bare land“, vegetationslose Flächen, um 13% zu. Faktoren, die zur Ausdehnung des Ackerbaus führen, wurden am Standort Darito detaillierter untersucht. GPS Daten und anbaugeschichtlichen Daten von 108 Feldern auf 54 Betrieben wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS) mit thematischen Boden-, Niederschlags-, und Hangneigungskarten sowie einem Digitales Höhenmodell überlagert. Multiple lineare Regression ermittelte Hangneigung und geographische Höhe als signifikante Erklärungsvariablen für die Ausdehnung von Ackerbau in niedrigere Lagen. Bodenart, Entfernung zum saisonalen Flusslauf und Niederschlag waren hingegen nicht signifikant. Das niedrige Bestimmtheitsmaß (R²=0,154) weist darauf hin, dass es weitere, hier nicht erfasste Erklärungsvariablen für die Richtung der räumlichen Ausweitung von Ackerland gibt. Streudiagramme zu Ackergröße und Anbaujahren in Relation zu geographischer Höhe zeigen seit dem Jahr 2000 eine Ausdehnung des Ackerbaus in Lagen unter 1620 müNN und eine Zunahme der Schlaggröße (>3ha). Die Analyse der phänologischen Entwicklung von Feldfrüchten im Jahresverlauf in Kombination mit Niederschlagsdaten und normalized difference vegetation index (NDVI) Zeitreihendaten dienten dazu, Zeitpunkte besonders hoher (Begrünung vor der Ernte) oder niedriger (nach der Bodenbearbeitung) Pflanzenbiomasse auf Ackerland zu identifizieren, um Ackerland und seine Ausdehnung von anderen Vegetationsformen fernerkundlich unterscheiden zu können. Anhand der NDVI Spektralprofile konnte Ackerland gut Wald, jedoch weniger gut von Gras- und Buschland unterschieden werden. Die geringe Auflösung (250m) der Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI Daten führte zu einem Mixed Pixel Effect, d.h. die Fläche eines Pixels beinhaltete häufig verschiedene Vegetationsformen in unterschiedlichen Anteilen, was deren Unterscheidung beeinträchtigte. Für die Entwicklung eines Echtzeit Monitoring Systems für die Ausdehnung des Ackerbaus wären höher auflösende NDVI Daten (z.B. Multispektralband, Hyperion EO-1 Sensor) notwendig, um kleinräumig eine bessere Differenzierung von Ackerland und natürlicher Rangeland-Vegetation zu erhalten. Die Entwicklung und der Einsatz solcher Methoden als Entscheidungshilfen für Land- und Ressourcennutzungsplanung könnte dazu beitragen, Produktions- und Entwicklungsziele der Borana Landnutzer mit nationalen Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels durch Steigerung der Kohlenstofffixierung in Rangelands in Einklang zu bringen.

Greenhouse gas emissions and energy balance of palm oil biofuel

The search for alternatives to fossil fuels is boosting interest in biodiesel production. Among the crops used to produce biodiesel, palm trees stand out due to their high productivity and positive energy balance. This work assesses life cycle emissions and the energy balance of biodiesel production from palm oil in Brazil. The results are compared through a meta-analysis to previous published studies: Wood and Corley (1991) [Wood BJ, Corley RH. The energy balance of oil palm cultivation. In: PORIM intl. palm oil conference agriculture; 1991.], Malaysia; Yusoff and Hansen (2005) [Yusoff S. Hansen SB. Feasibility study of performing an life cycle assessment on crude palm oil production in Malaysia. International Journal of Life Cycle Assessment 2007;12:50-8], Malaysia; Angarita et al. (2009) [Angarita EE, Lora EE, Costa RE, Torres EA. The energy balance in the palm oil-derived methyl ester (PME) life cycle for the cases in Brazil and Colombia. Renewable Energy 2009;34:2905-13], Colombia; Pleanjai and Gheewala (2009) [Pleanjai S. Gheewala SH. Full chain energy analysis of biodiesel production from palm oil in Thailand. Applied Energy 2009;86:S209-14], Thailand; and Yee et al. (2009) [Yee KF, Tan KT, Abdullah AZ, Lee la. Life cycle assessment of palm biodiesel: revealing facts and benefits for sustainability. Applied Energy 2009;86:S189-96], Malaysia. In our study, data for the agricultural phase, transport, and energy content of the products and co-products were obtained from previous assessments done in Brazil. The energy intensities and greenhouse gas emission factors were obtained from the Simapro 7.1.8. software and other authors. These factors were applied to the inputs and outputs listed in the selected studies to render them comparable. The energy balance for our study was 1:5.37. In comparison the range for the other studies is between 1:3.40 and 1:7.78. Life cycle emissions determined in our assessment resulted in 1437 kg CO(2)e/ha, while our analysis based on the information provided by other authors resulted in 2406 kg CO(2)e/ha, on average. The Angarita et al. (2009) [Angarita EE, Lora EE, Costa RE, Torres EA. The energy balance in the palm oil-derived methyl ester (PME) life cycle for the cases in Brazil and Colombia. Renewable Energy 2009:34:2905-13] study does not report emissions. When compared to diesel on a energy basis, avoided emissions due to the use of biodiesel account for 80 g CO(2)e/MJ. Thus, avoided life Cycle emissions associated with the use of biodiesel yield a net reduction of greenhouse gas emissions. We also assessed the carbon balance between a palm tree plantation, including displaced emissions from diesel, and a natural ecosystem. Considering the carbon balance outcome plus life cycle emissions the payback time for a tropical forest is 39 years. The result published by Gibbs et al. (2008) [Gibbs HK, Johnston M, Foley JA, Holloway T, Monfreda C, Ramankutty N, et al., Carbon payback times for crop-based biofuel expansion in the tropics: the effects of changing yield and technology. Environmental Research Letters 2008;3:10], which ignores life cycle emissions, determined a payback range for biodiesel production between 30 and 120 years. Crown Copyright (C) 2010 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Homodyne measurements on a Bose-Einstein condensate

We investigate a nondestructive measurement technique to monitor Josephson-like oscillations between two spatially separated neutral atom Bose-Einstein condensates. One condensate is placed in an optical cavity, which is strongly driven by a coherent optical field. The cavity output field is monitored using a homodyne detection scheme. The cavity field is well detuned from an atomic resonance, and experiences a dispersive phase shift proportional to the number of atoms in the cavity. The detected current is modulated by the coherent tunneling oscillations of the condensate. Even when there is an equal number of atoms in each well initially, a phase is established by the measurement process and Josephson-like oscillations develop due to measurement backaction noise alone.

Denitrification, leaching and immobilisation of N-15-labelled nitrate in winter under windrowed harvesting residues in hoop pine plantations of 1-3 years old in subtropical Australia

A field study was carried out to investigate the impacts of windrowed harvesting residues on denitrification, immobilisation and leaching of N-15-labelled nitrate applied at 20 kg N ha(-1) to microplots in second-rotation hoop pine (Araucaria cunninghamii) plantations of 1-3 years old in southeast Queensland, Australia. The PVC microplots were 235 mm in diameter and 150 mm. long, and driven into the 100 mm soil. There were three replications of such microplots for each of the six treatments which were areas just under and between 1-, 2- and 3-year-old windrows of harvesting residues. Based on gaseous N losses estimated by the difference between the recoveries of bromide (Br) applied at 100 kg Br ha(-1) and N-15-labelled nitrate, denitrification was highest (23% based on N-15 loss) in the areas just under the 1-year-old windrows 25 days after a simulated 75 mm rainfall and following several natural rainfall events. There was no significant difference in N-15 losses (14-17%) among the other treatments. The N-15 immobilisation rate was highest for microplots in the areas between the 1-year-old windrows and generally higher for microplots in the areas just under the windrows (30-39%) than that (26-30%) between the windrows. Direct measurement of N-15 gas emissions (N-15(2) + (N2O)-N-15) confirmed that the highest denitrification rate occurred in the microplots under the 1-year-old windrows although the gaseous N-15 loss calculated by gas emission was only about one-quarter that estimated by the N-15 mass balance method. A significant, positive linear relationship (P < 0.05) existed between the gaseous N-15 losses measured by the two methods used. The research indicates that considerable mineral N could be lost via denitrification during the critical inter-rotation period and early phase of the second rotation. However, the impacts of windrowed harvesting residues on N losses via denitrification might only last for a period of about 2 years. Published by Elsevier Science B.V.

Effects of light and temperature on isoprene emission at different leaf developmental stages of eschweilera coriacea in central Amazon

Isoprene emission from plants accounts for about one third of annual global volatile organic compound emissions. The largest source of isoprene for the global atmosphere is the Amazon Basin. This study aimed to identify and quantify the isoprene emission and photosynthesis at different levels of light intensity and leaf temperature, in three phenological phases (young mature leaf, old mature leaf and senescent leaf) of Eschweilera coriacea (Matamatá verdadeira), the species with the widest distribution in the central Amazon. In situ photosynthesis and isoprene emission measurements showed that young mature leaf had the highest rates at all light intensities and leaf temperatures. Additionally, it was observed that isoprene emission capacity (Es) changed considerably over different leaf ages. This suggests that aging leads to a reduction of both leaf photosynthetic activity and isoprene production and emission. The algorithm of Guenther et al. (1999) provided good fits to the data when incident light was varied, however differences among E S of all leaf ages influenced on quantic yield predicted by model. When leaf temperature was varied, algorithm prediction was not satisfactory for temperature higher than ~40 °C; this could be because our data did not show isoprene temperature optimum up to 45 °C. Our results are consistent with the hypothesis of the isoprene functional role in protecting plants from high temperatures and highlight the need to include leaf phenology effects in isoprene emission models.

Measurement of biologically available naphthalene in gas and aqueous phases by use of a Pseudomonas putida biosensor.

Genetically constructed microbial biosensors for measuring organic pollutants are mostly applied in aqueous samples. Unfortunately, the detection limit of most biosensors is insufficient to detect pollutants at low but environmentally relevant concentrations. However, organic pollutants with low levels of water solubility often have significant gas-water partitioning coefficients, which in principle makes it possible to measure such compounds in the gas rather than the aqueous phase. Here we describe the first use of a microbial biosensor for measuring organic pollutants directly in the gas phase. For this purpose, we reconstructed a bioluminescent Pseudomonas putida naphthalene biosensor strain to carry the NAH7 plasmid and a chromosomally inserted gene fusion between the sal promoter and the luxAB genes. Specific calibration studies were performed with suspended and filter-immobilized biosensor cells, in aqueous solution and in the gas phase. Gas phase measurements with filter-immobilized biosensor cells in closed flasks, with a naphthalene-contaminated aqueous phase, showed that the biosensor cells can measure naphthalene effectively. The biosensor cells on the filter responded with increasing light output proportional to the naphthalene concentration added to the water phase, even though only a small proportion of the naphthalene was present in the gas phase. In fact, the biosensor cells could concentrate a larger proportion of naphthalene through the gas phase than in the aqueous suspension, probably due to faster transport of naphthalene to the cells in the gas phase. This led to a 10-fold lower detectable aqueous naphthalene concentration (50 nM instead of 0.5 micro M). Thus, the use of bacterial biosensors for measuring organic pollutants in the gas phase is a valid method for increasing the sensitivity of these valuable biological devices.

Kaasukäyttöisen jäteauton toiminnan tutkiminen ja soveltuvuuden selvittäminen pääkaupunkiseudun jätteenkuljetuksiin

Kaasunkäyttö liikennepolttoaineena on Suomessa vielä melko vähäistä. Maa- ja biokaasun käyttöä pyritään kuitenkin lisäämään, sillä EU:n jäsenvaltioiden tulee korvatavuoteen 2010 mennessä 5,75 % nykyisistä liikenteen polttoaineista biopolttoaineilla ja vuoteen 2020 mennessä jopa 20 %:a. Tässä työssä tutkittiin kaasukäyttöisen (CNG) jäteauton vahvuuksia ja heikkouksia dieseljäteautoon verrattuna. Ensimmäinen CNG-jäteauto aloitti liikennöinnin Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan alueella joulukuussa 2005. Kaasujäteautolle suoritettujen melu- ja pakokaasupäästömittausten perusteella selvisi, että CNG-jäteauto on ympäristön kannalta dieseljäteautoa puhtaampi vaihtoehto. Kaasujäteautolla on myös yrityksen imagoon positiivinen vaikutus. Jäteautojen kustannuslaskelmat osoittivat, että kaasujäteauto tulee kokonaiskustannuksiltaan kalliimmaksi kuin dieseljäteauto. Ainoastaan CNG-jäteauton polttoainekustannukset ovat toistaiseksi edullisemmat kuin dieseljäteauton. Kaasujäteautokannan lisääntyminen edellyttää kaasun liikennepolttoainekäytön tukemista esimerkiksi antamalla lisäpisteitä urakkatarjouskilpailuissa. Tällöin eri polttoainevaihtoehtojen välillesyntyy kilpailua, millä voi tulevaisuudessa olla vaikutusta CNG-jäteauton kokonaiskustannusten alenemiseen ja kaasun käytön lisäämiseen taloudellisesti kannattavasti. Myös edistämällä biokaasun hyötykäyttöä liikennepolttoaineena saavutetaan maakaasua paremmat ympäristöhyödyt ja saadaan kaatopaikoilla muodostuva metaani talteen. Biokaasu on hiilidioksidineutraali polttoaine, joten sen poltosta ei synny kasvihuonekaasupäästöjä.

Polttodirektiivien soveltaminen sellutehtaiden ilmapäästömittauksissa

EU:n polttodirektiivit, LCP- ja jätteenpolttodirektiivi ovat arkipäivää suuressa osassa polttolaitoksia Suomessakin lähivuosien kuluessa. Molemmat direktiivit on otettu mukaan Suomen lain-säädäntöön asetuksina, joita on hieman muutettu vastaamaan kansallisia tarpeita. Polttolaitokset tulevat muuttamaan aikaisempia käytäntöjään päästöistä mitattavien komponenttien sekä tarkkailujaksojen että raportoinnin osalta. Mittausten tulokset raportoidaan jatkossa yksikössä mg/Nm3. Jatkuvatoimisia mittausjärjestelmiä on asennettava yhä useampaan laitokseen ja savukaasuista tarkkaillaan pitoisuuksia päästöjen sijaan. Edelleen raportoidaan esim. ympäristölupaviranomaiselle vuosipäästöjen suuruus. Vuonna 2000 voimaan tulleen ympäristönsuojelulain ja -asetuksen velvoittamina toiminnassa olevat sellutehtaat ovat hakeneet uuden lain mukaista ympäristölupaa vuoden 2004 loppuun mennessä. Ympäristöluvan tarvitsevat myös kaikki teholtaan yli 50 MW:n polttolaitokset. Suuria polttolaitoksia koskeva LCP-direktiivi astuu voimaan vuoden 2008 alussa. Siksi uusissa ympäristöluvissa tullaantodennäköisesti vaatimaan myös sellutehtailta ko. direktiivin mukaisia mittaus-järjestelmiä ja päästörajoja. Laitoksissa on jo nyt melko kattavat päästömittausjärjestelmät, sillä myös voimassaolevat ympäristöluvat ja ilmapäästöjen tarkkailuohjelmat velvoittavat päästöjen jatkuvaan seurantaan pääosin samoista savukaasukomponenteista kuin mitä direktiivissäkin edellytetään. Tässä diplomityössä keskitytään LCP- ja jätteenpolttodirektiivien mittausvaatimuksiin, raja-arvoihin sekä raportointiin sekä Metsä-Botnian sellutehtaiden mittausjärjestelmien parantamis-toimenpiteisiin. Yksityiskohtainen toimintamalli on tehty Joutsenon tehtaan laitosta ja mittaus-järjestelmää silmällä pitäen. Sitä voidaan käyttää myös muillatehtailla mallina savukaasupäästöjen mittauksien ja laitteiden päivitysten yhteydessä. Toimintamalliin siirtyminen ei velvoita Metsä-Botnian tehtaita, mutta monet tehtaat haluavat laitteistokannan uusimisen yhteydessä siirtyä direktiivien vaatimuksia vastaavaan järjestelmään.

Water status and gas exchange of umbu plants (Spondias tuberosa Arr. Cam.) propagated by seeds and stem cuttings

The experiment was carried out at the Embrapa Semi-Árido, Petrolina-PE, Brazil, in order to study the physiological responses of umbu plants propagated by seeds and by stem cuttings under water stress conditions, based on leaf water potential and gas exchange measurements. Data were collected in one-year plants established in pots containing 30 kg of a sandy soil and submitted to twenty-day progressive soil water deficit. The evaluations were based on leaf water potential and gas exchange data collection using psychrometric chambers and a portable infra-red gas analyzer, respectively. Plants propagated by seeds maintained a significantly higher water potential, stomatal conductance, transpiration and photosynthesis under decreasing soil water availability. However, plants propagated by stem cuttings were unable to maintain a favorable internal water balance, reflecting negatively on stomatal conductance and leaf gas exchange. This fact is probably because umbu plants propagated by stem cuttings are not prone to formation of root tubers which are reservoirs for water and solutes. Thus, the establishing of umbu plants propagated by stem cuttings must be avoided in areas subjected to soil water deficit.

Sellu- ja paperiteollisuuden haitallisimmat ilmapäästöt

Diplomityössä luotiin katsaus sellu- ja paperiteollisuuden haitallisimpiin ilmapäästöihin ja ilmapäästömäärien kehitykseen Suomessa 1990-luvun alusta nykypäivään. Työssä tutustuttiin sellu- ja paperiteollisuuden ilmapäästöjä rajoittavan lainsäädännön ajankohtaisiin asioihin Suomessa ja Euroopan Unionissa, sekä tarkasteltiin nykyisen lainsäädännön perustana olleita ilmastosopimuksia eli kansainvälisen ilmastopolitiikan syntyä ja kehittymistä. Työssä on myös selvitetty ilman osuutta paperinvalmistuksessa, tutustuttu ilmapäästöjen rajoittamismenetelmiin ja eri mittausmenetelmiin ilmapäästöjen toteamiseksi. Työn puitteissa suoritettiin mittalaitetestejä eri paperitehtailla. Haitallisimpia ja määrällisesti suurimpia ilmapäästöjä sellu- ja paperiteollisuudessa ovat typen ja rikin oksidit, pelkistyneet rikkiyhdisteet, hiukkaset, haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ja hiilidioksidi. Ilmapäästömäärät Suomessa ovat typenoksideja lukuun ottamatta olleet laskussa 1990-luvun alusta nykypäivään. Tärkein kasvihuonekaasu on hiilidioksidi, jonka määrää rajoitetaan Kioton sopimuksessa. Vuoden 2002 aikana selvinneekin, mikä on Kioton sopimuksen vaikutus Suomen metsäteollisuuteen. Päästömittauksia tarvitaan lainsäädännön raja-arvojen toteamiseksi, mittauksia suorittavat sertifioidut päästömittauslaboratoriot. Suoritetuissa mittalaitetesteissä havaittiin mittalaitteiden soveltuvuudessa kosteiden paperiprosessin poistokaasujen määrittämiseen suuria eroja.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

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.

Greenhouse gas emissions from waste management—assessment of quantification methods

Of the many sources of urban greenhouse gas (GHG) emissions, solid waste is the only one for which management decisions are undertaken primarily by municipal governments themselves and is hence often the largest component of cities’ corporate inventories. It is essential that decision-makers select an appropriate quantification methodology and have an appreciation of methodological strengths and shortcomings. This work compares four different waste emissions quantification methods, including Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 1996 guidelines, IPCC 2006 guidelines, U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Waste Reduction Model (WARM), and the Federation of Canadian Municipalities- Partners for Climate Protection (FCM-PCP) quantification tool. Waste disposal data for the greater Toronto area (GTA) in 2005 are used for all methodologies; treatment options (including landfill, incineration, compost, and anaerobic digestion) are examined where available in methodologies. Landfill was shown to be the greatest source of GHG emissions, contributing more than three-quarters of total emissions associated with waste management. Results from the different landfill gas (LFG) quantification approaches ranged from an emissions source of 557 kt carbon dioxide equivalents (CO2e) (FCM-PCP) to a carbon sink of −53 kt CO2e (EPA WARM). Similar values were obtained between IPCC approaches. The IPCC 2006 method was found to be more appropriate for inventorying applications because it uses a waste-in-place (WIP) approach, rather than a methane commitment (MC) approach, despite perceived onerous data requirements for WIP. MC approaches were found to be useful from a planning standpoint; however, uncertainty associated with their projections of future parameter values limits their applicability for GHG inventorying. MC and WIP methods provided similar results in this case study; however, this is case specific because of similarity in assumptions of present and future landfill parameters and quantities of annual waste deposited in recent years being relatively consistent.

Controlling the absorption and emission properties of polyparaphenylenevinylene films

In this work we used the conversion process of a precursor polymer into polyparaphenylenevinylene (PPV) at low temperatures in order to control the effective conjugation degree of spin-casted PPV films. The absorption and emission spectra of the films were studied by following a partial substitution of chloride counterions from poly(xylylidene tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT), used as a precursor, by sodium acid dodecyl benzenesulfonate (DBS), added as a surfactant salt. Upon controlling the DBS amount and conversion temperature (T-c) of PTHT/DBS to PPV films, the band gap of PPV changed from 409 to 506 nm, and 505 to 532 nm, values obtained from absorbance and emission measurements, respectively. Based on these experimental data, we proposed a physical model which represents the chemical structure of PPV as a distribution of conjugated chain segments (like oligomers) alternated by non-conjugated segments (structural defects and/or from the precursor polymer). (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Biomass consumption and CO2, CO and main hydrocarbon gas emissions in an Amazonian forest clearing fire

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)