Flash flood evolution in North-Western Mediterranean

The present paper shows an in-depth analysis of the evolution of floods and precipitation in Catalonia for the period 1981-2010. In order to have homogeneous information, and having in mind that not gauge data was available for all the events, neither for all the rivers and stream flows, daily press from a specific newspaper has been systematically analysed for this period. Furthermore a comparison with a longer period starting in 1900 has been done. 219 flood events (mainly flash flood events) have been identified for the period of 30 years (375 starting in 1900), 79 of them were ordinary, 117 of them were extraordinary and 23 of them were catastrophic, being autumn and summer the seasons with the maxima values. 19% of the events caused a total of 110 casualties. 60% of them died when they tried to cross the street or the stream. Factors like the evolution of precipitation, population density and other socio-economical aspects have been considered. The trend analysis shows an increase of 1 flood/decade that probably has been mainly due to inter-annual and intra-annual changes in population density and in land-use and land-cover.

Distribution Patterns of Soil Properties in a Rural Mediterranean Area in Northeastern Spain

Soil properties on the Cap de Creus Peninsula, NE Spain depend primarily on scarce agricultural practices and early abandonment. In the study area, 90% of which is mainly covered by Cistus shrubs, 8 environments representing variations in land use/land cover and soil properties at different depths were identified. In each environment variously vegetated areas were selected and sampled. The soils, collected at different depths, were classified as Lithic Xerorthents according to the United States Department of Agriculture system of soil classification (USDA-NRCS 1975). Differences in soil properties were largely found according to the evolution of the plant canopy and the land use history. To identify underlying patterns in soil properties related to environmental evolution, factor analysis was performed and factor scores were used to determine how the factor patterns varied between soil variables, soil depths and selected environments. The three-factor model always accounted for 80% of the total variation in the data at the different soil depths. Organic matter was the more relevant soil property at 0–2 cm depth, whereas active minerals (silt and clay) were found to be the most relevant soil parameters controlling soil dynamics at the other depths investigated. Results showed that vineyards and olive tree soils are poorly developed and present worse conditions for mineral and organic compounds. Analysis of factor scores allowed independent assessment of soils, depth and plant cover and demonstrated that soils present the best physico-chemical characteristics under Erica arborea and meadows. In contrast, soils under Cistus monspeliensis were less nutrient rich and less well structured

Automated, adaptive methods for forest inventory

Forest inventories are used to estimate forest characteristics and the condition of forest for many different applications: operational tree logging for forest industry, forest health state estimation, carbon balance estimation, land-cover and land use analysis in order to avoid forest degradation etc. Recent inventory methods are strongly based on remote sensing data combined with field sample measurements, which are used to define estimates covering the whole area of interest. Remote sensing data from satellites, aerial photographs or aerial laser scannings are used, depending on the scale of inventory. To be applicable in operational use, forest inventory methods need to be easily adjusted to local conditions of the study area at hand. All the data handling and parameter tuning should be objective and automated as much as possible. The methods also need to be robust when applied to different forest types. Since there generally are no extensive direct physical models connecting the remote sensing data from different sources to the forest parameters that are estimated, mathematical estimation models are of "black-box" type, connecting the independent auxiliary data to dependent response data with linear or nonlinear arbitrary models. To avoid redundant complexity and over-fitting of the model, which is based on up to hundreds of possibly collinear variables extracted from the auxiliary data, variable selection is needed. To connect the auxiliary data to the inventory parameters that are estimated, field work must be performed. In larger study areas with dense forests, field work is expensive, and should therefore be minimized. To get cost-efficient inventories, field work could partly be replaced with information from formerly measured sites, databases. The work in this thesis is devoted to the development of automated, adaptive computation methods for aerial forest inventory. The mathematical model parameter definition steps are automated, and the cost-efficiency is improved by setting up a procedure that utilizes databases in the estimation of new area characteristics.

Measurement and simulation of solar radiation availability in relation to the growth of coffee plants in an agroforestry system with rubber trees

Solar radiation is an important factor for plant growth, being its availability to understory crops strongly modified by trees in an Agroforestry System (AFS). Coffee trees (Coffea arabica - cv. Obatã IAC 1669-20) were planted at a 3.4 x 0.9 m spacing inside and aside rows of monocrops of 12 year-old rubber trees (Hevea spp.), in Piracicaba-SP, Brazil (22º42'30" S, 47º38'00" W - altitude: 546m). One-year-old coffee plants exposed to 25; 30; 35; 40; 45; 80; 90; 95 and 100% of the total solar radiation were evaluated according to its biophysical parameters of solar radiation interception and capture. The Goudriaan (1977) adapted by Bernardes et al. (1998) model for radiation attenuation fit well to the measured data. Coffee plants tolerate a decrease in solar radiation availability to 50% without undergoing a reduction on growth and LAI, which was approximately 2m².m-2 under this condition. Further reductions on the availability of solar radiation caused a reduction in LAI (1.5m².m-2), thus poor land cover and solar radiation interception, resulting in growth reduction.

Landscape structure in the northern coast of Paraná state, a hotspot for the brazilian Atlantic Forest conservation

The "Serra do Mar" region comprises the largest remnant of the Brazilian Atlantic Forest. The coast of the Paraná State is part of the core area of the "Serra do Mar" corridor and where actions for biodiversity conservation must be planned. In this study we aimed at characterizing the landscape structure in the APA-Guaraqueçaba, the largest protected area in this region, in order to assist environmental policies of this region. Based on a supervised classification of a mosaic of LANDSAT-5-TM satellite images (from March 2009), we developed a map (1:75,000 scale) with seven classes of land use and land cover and analyzed the relative quantities of forests and modified areas in slopes and lowlands. The APA-Guaraqueçaba is comprised mainly by the Dense Ombrophilous Forest (68.6% of total area) and secondary forests (9.1%), indicating a forested landscape matrix; anthropogenic and bare soil areas (0.8%) and the Pasture/Grasslands class (4.2%) were less representative. Slopes were less fragmented and more preserved (96.3% of Dense Ombrophilous Forest and secondary forest) than lowlands (71.3%), suggesting that restoration initiatives in the lowlands must be stimulated in this region. We concluded that most of the region sustains well-conserved ecosystems, highlighting the importance of Paraná northern coast for the biodiversity maintenance of the Atlantic Forest.

Georeferenced database generation with the purpose of hydrologic molding in reservoirs of the hydrographic basin of Jaguaribe river in the state of Ceará, Brazil

The edafoclimatic conditions of the Brazilian semiarid region favor the water loss by surface runoff. The state of Ceará, almost completely covered by semiarid, has developed public policies for the construction of dams in order to attend the varied water demand. Several hydrological models were developed to support decisive processes in the complex management of reservoirs. This study aimed to establish a methodology for obtaining a georeferenced database suitable for use as input data in hydrological modeling in the semiarid of Ceará. It was used images of Landsat satellite and SRTM Mission, and soil maps of the state of Ceará. The Landsat images allowed the determination of the land cover and the SRTM Mission images, the automatic delineation of hydrographic basins. The soil type was obtained through the soil map. The database was obtained for Jaguaribe River hydrographic basin, in the state of Ceará, and is applicable to hydrological modeling based on the Curve Number method for estimating the surface runoff.

Biomass and mineralmass estimates in a "cerrado" ecosystem

This work aimed to develop allometric equations for tree biomass estimation, and to determine the site biomass in different "cerrado" ecosystems. Destructive sampling in a "campo cerrado" (open savanna) was carried out at the Biological Reserve of Moji-Guaçu, State of São Paulo, southeastern Brazil. This "campo cerrado" (open savanna) grows under a tropical climate and on acid, low nutrient soils. Sixty wood plants were cut to ground level and measurements of diameter, height and weight of leaves and stems were taken. We selected the best equations among the most commonly used mathematical relations according to R² values, significance, and standard error. Both diameter (D) and height (H) showed good relationship with plant biomass, but the use of these two parameters together (DH and D²H) provided the best predictor variables. The best equations were linear, but power and exponential equations also showed high R² and significance. The applicability of these equations is discussed and biomass estimates are compared with other types of tropical savannas. Mineralmass was also estimated. "Cerrados" proved to have very important carbon reservoirs due to their great extent. In addition, high land-use change that takes place nowadays in the "cerrado" biome may significantly affect the global carbon cycle.

Aspects of spatial and habitat ecology of multiple Anopheles species (Diptera: Culicidae): malaria vectors in the highlands and foothills of Ecuador

The resurgence of malaria in highland regions of Africa, Oceania and recently in South America underlines the importance of the study of the ecology of highland mosquito vectors of malaria. Since the incidence of malaria is limited by the distribution of its vectors, the purpose of this PhD thesis was to examine aspects of the ecology of Anopheles mosquitoes in the Andes of Ecuador, South America. A historical literature and archival data review (Chapter 2) indicated that Anopheles pseudopunctipennis transmitted malaria in highland valleys of Ecuador prior to 1950, although it was eliminated through habitat removal and the use of chemical insecticides. Other anopheline species were previously limited to low-altitude regions, except in a few unconfirmed cases. A thorough larval collection effort (n=438 attempted collection sites) in all road-accessible parts of Ecuador except for the lowland Amazon basin was undertaken between 2008 - 2010 (Chapter 3). Larvae were identified morphologically and using molecular techniques (mitochondrial COl gene), and distribution maps indicated that all five species collected (Anopheles albimanus, An. pseudopunctipennis, Anopheles punctimacula, Anopheles oswaldoi s.l. and Anopheles eiseni) were more widespread throughout highland regions than previously recorded during the 1940s, with higher maximum altitudes for all except An. pseudopunctipennis (1541 m, 1930 m, 1906 m, 1233 m and 1873 m, respectively). During larval collections, to characterize species-specific larval habitat, a variety of abiotic and biotic habitat parameters were measured and compared between species-present and species-absent sites using chi-square tests and stepwise binary logistic regression analyses (Chapter 4). An. albimanus was significantly associated with permanent pools with sand substrates and An. pseudopunctipennis with gravel and boulder substrates. Both species were significantly associated with floating cyanobacterial mats and warmer temperatures, which may limit their presence in cooler highland regions. Anopheles punctimacula was collected more often than expected from algae-free, shaded pools with higher-than-average calculated dissolved oxygen. Anopheles oswaldoi s.l., the species occurring on the Amazonian side of the Andes, was associated with permanent, anthropogenic habitats such as roadside ditches and ponds. To address the hypothesis that human land use change is responsible for the emergence of multiple highland Anopheles species by creating larval habitat, common land uses in the western Andes were surveyed for standing water and potential larval habitat suitability (Chapter 5). Rivers and road edges provided large amounts of potentially suitable anopheline habitat in the western Andes, while cattle pasture also created potentially suitable habitat in irrigation canals and watering ponds. Other common land uses surveyed (banana farms, sugarcane plantations, mixed tree plantations, and empty lots) were usually established on steep slopes and had very little standing water present. Using distribution and larval habitat data, a GIS-based larval habitat distribution model for the common western species was constructed in ArcGIS v.l 0 (ESRI 2010) using derived data layers from field measurements and other sources (Chapter 6). The additive model predicted 76.4 - 97.9% of the field-observed collection localities of An. albimanus, An. pseudopunctipennis and An. punctimacula, although it could not accurately distinguish between species-absent and speciespresent sites due to its coarse scale. The model predicted distributional expansion and/or shift of one or more anopheline species into the following highland valleys with climate warming: Mira/Chota, Imbabura province, Tumbaco, Pichincha province, Pallatanga and Sibambe, Chimborazo province, and Yungilla, Azuay province. These valleys may serve as targeted sites of future monitoring to prevent highland epidemics of malaria. The human perceptions of malaria and mosquitoes in relation to land management practices were assessed through an interview-based survey (n=262) in both highlands and lowlands, of male and female land owners and managers of five property types (Chapter 7). Although respondents had a strong understanding of where the disease occurs in their own country and of the basic relationship among standing water, mosquitoes and malaria, about half of respondents in potential risk areas denied the current possibility of malaria infection on their own property. As well, about half of respondents with potential anopheline larval habitat did not report its presence, likely due to a highly specific definition of suitable mosquito habitat. Most respondents who are considered at risk of malaria currently use at least one type of mosquito bite prevention, most commonly bed nets. In conclusion, this interdisciplinary thesis examines the occurrence of Anopheles species in the lowland transition area and highlands in Ecuador, from a historic, geographic, ecological and sociological perspective.

Applicabilité de la texture couleur à la différentiation des classes d’occupation du territoire sur des images satellitales multispectrales

La texture est un élément clé pour l’interprétation des images de télédétection à fine résolution spatiale. L’intégration de l’information texturale dans un processus de classification automatisée des images se fait habituellement via des images de texture, souvent créées par le calcul de matrices de co-occurrences (MCO) des niveaux de gris. Une MCO est un histogramme des fréquences d’occurrence des paires de valeurs de pixels présentes dans les fenêtres locales, associées à tous les pixels de l’image utilisée; une paire de pixels étant définie selon un pas et une orientation donnés. Les MCO permettent le calcul de plus d’une dizaine de paramètres décrivant, de diverses manières, la distribution des fréquences, créant ainsi autant d’images texturales distinctes. L’approche de mesure des textures par MCO a été appliquée principalement sur des images de télédétection monochromes (ex. images panchromatiques, images radar monofréquence et monopolarisation). En imagerie multispectrale, une unique bande spectrale, parmi celles disponibles, est habituellement choisie pour générer des images de texture. La question que nous avons posée dans cette recherche concerne justement cette utilisation restreinte de l’information texturale dans le cas des images multispectrales. En fait, l’effet visuel d’une texture est créé, non seulement par l’agencement particulier d’objets/pixels de brillance différente, mais aussi de couleur différente. Plusieurs façons sont proposées dans la littérature pour introduire cette idée de la texture à plusieurs dimensions. Parmi celles-ci, deux en particulier nous ont intéressés dans cette recherche. La première façon fait appel aux MCO calculées bande par bande spectrale et la seconde utilise les MCO généralisées impliquant deux bandes spectrales à la fois. Dans ce dernier cas, le procédé consiste en le calcul des fréquences d’occurrence des paires de valeurs dans deux bandes spectrales différentes. Cela permet, en un seul traitement, la prise en compte dans une large mesure de la « couleur » des éléments de texture. Ces deux approches font partie des techniques dites intégratives. Pour les distinguer, nous les avons appelées dans cet ouvrage respectivement « textures grises » et « textures couleurs ». Notre recherche se présente donc comme une analyse comparative des possibilités offertes par l’application de ces deux types de signatures texturales dans le cas spécifique d’une cartographie automatisée des occupations de sol à partir d’une image multispectrale. Une signature texturale d’un objet ou d’une classe d’objets, par analogie aux signatures spectrales, est constituée d’une série de paramètres de texture mesurés sur une bande spectrale à la fois (textures grises) ou une paire de bandes spectrales à la fois (textures couleurs). Cette recherche visait non seulement à comparer les deux approches intégratives, mais aussi à identifier la composition des signatures texturales des classes d’occupation du sol favorisant leur différentiation : type de paramètres de texture / taille de la fenêtre de calcul / bandes spectrales ou combinaisons de bandes spectrales. Pour ce faire, nous avons choisi un site à l’intérieur du territoire de la Communauté Métropolitaine de Montréal (Longueuil) composé d’une mosaïque d’occupations du sol, caractéristique d’une zone semi urbaine (résidentiel, industriel/commercial, boisés, agriculture, plans d’eau…). Une image du satellite SPOT-5 (4 bandes spectrales) de 10 m de résolution spatiale a été utilisée dans cette recherche. Puisqu’une infinité d’images de texture peuvent être créées en faisant varier les paramètres de calcul des MCO et afin de mieux circonscrire notre problème nous avons décidé, en tenant compte des études publiées dans ce domaine : a) de faire varier la fenêtre de calcul de 3*3 pixels à 21*21 pixels tout en fixant le pas et l’orientation pour former les paires de pixels à (1,1), c'est-à-dire à un pas d’un pixel et une orientation de 135°; b) de limiter les analyses des MCO à huit paramètres de texture (contraste, corrélation, écart-type, énergie, entropie, homogénéité, moyenne, probabilité maximale), qui sont tous calculables par la méthode rapide de Unser, une approximation des matrices de co-occurrences, c) de former les deux signatures texturales par le même nombre d’éléments choisis d’après une analyse de la séparabilité (distance de Bhattacharya) des classes d’occupation du sol; et d) d’analyser les résultats de classification (matrices de confusion, exactitudes, coefficients Kappa) par maximum de vraisemblance pour conclure sur le potentiel des deux approches intégratives; les classes d’occupation du sol à reconnaître étaient : résidentielle basse et haute densité, commerciale/industrielle, agricole, boisés, surfaces gazonnées (incluant les golfs) et plans d’eau. Nos principales conclusions sont les suivantes a) à l’exception de la probabilité maximale, tous les autres paramètres de texture sont utiles dans la formation des signatures texturales; moyenne et écart type sont les plus utiles dans la formation des textures grises tandis que contraste et corrélation, dans le cas des textures couleurs, b) l’exactitude globale de la classification atteint un score acceptable (85%) seulement dans le cas des signatures texturales couleurs; c’est une amélioration importante par rapport aux classifications basées uniquement sur les signatures spectrales des classes d’occupation du sol dont le score est souvent situé aux alentours de 75%; ce score est atteint avec des fenêtres de calcul aux alentours de11*11 à 15*15 pixels; c) Les signatures texturales couleurs offrant des scores supérieurs à ceux obtenus avec les signatures grises de 5% à 10%; et ce avec des petites fenêtres de calcul (5*5, 7*7 et occasionnellement 9*9) d) Pour plusieurs classes d’occupation du sol prises individuellement, l’exactitude dépasse les 90% pour les deux types de signatures texturales; e) une seule classe est mieux séparable du reste par les textures grises, celle de l’agricole; f) les classes créant beaucoup de confusions, ce qui explique en grande partie le score global de la classification de 85%, sont les deux classes du résidentiel (haute et basse densité). En conclusion, nous pouvons dire que l’approche intégrative par textures couleurs d’une image multispectrale de 10 m de résolution spatiale offre un plus grand potentiel pour la cartographie des occupations du sol que l’approche intégrative par textures grises. Pour plusieurs classes d’occupations du sol un gain appréciable en temps de calcul des paramètres de texture peut être obtenu par l’utilisation des petites fenêtres de traitement. Des améliorations importantes sont escomptées pour atteindre des exactitudes de classification de 90% et plus par l’utilisation des fenêtres de calcul de taille variable adaptées à chaque type d’occupation du sol. Une méthode de classification hiérarchique pourrait être alors utilisée afin de séparer les classes recherchées une à la fois par rapport au reste au lieu d’une classification globale où l’intégration des paramètres calculés avec des fenêtres de taille variable conduirait inévitablement à des confusions entre classes.

Régionalisation et synthèse des patrons de la végétation du Québec : utilisation d'indices de patrons à l'échelle provinciale.

Le Québec est une immense province à l’intérieur de laquelle existe une grande diversité de conditions bioclimatiques et où les perturbations anthropiques et naturelles du couvert végétal sont nombreuses. À l’échelle provinciale, ces multiples facteurs interagissent pour sculpter la composition et la distribution des paysages. Les objectifs généraux de cette recherche visaient à explorer et comprendre la distribution spatiale des patrons des paysages du Québec, de même qu’à caractériser les patrons observés à partir d’images satellitaires. Pour ce faire, les patrons des paysages ont été quantifiés avec un ensemble complet d’indices calculés à partir d’une cartographie de la couverture végétale. Plusieurs approches ont été développées et appliquées pour interpréter les valeurs d’indices sur de vastes étendues et pour cartographier la distribution des patrons des paysages québécois. Les résultats ont révélé que les patrons de la végétation prédits par le Ministère des Ressources naturelles du Québec divergent des patrons de la couverture végétale observée. Ce mémoire dresse un portrait des paysages québécois et les synthétise de manière innovatrice, en plus de démontrer le potentiel d’utilisation des indices comme attributs biogéographiques à l’échelle nationale.

Spatio-Temporal Changes in the Wetland Ecosystem of Cochin City using Remote Sensing and GIS

Urban developments have exerted immense pressure on wetlands. Urban areas are normally centers of commercial activity and continue to attract migrants in large numbers in search of employment from different areas. As a result, habitations keep coming up in the natural areas / flood plains. This is happening in various Indian cities and towns and large habitations are coming up in low-lying areas, often encroaching even over drainage channels. In some cases, houses are constructed even on top of nallahs and drains. In the case of Kochi the situation is even worse as the base of the urban development itself stands on a completely reclaimed island. Also the topography and geology demanded more reclamation of land when the city developed as an agglomerative cluster. Cochin is a coastal settlement interspersed with a large backwater system and fringed on the eastern side by laterite-capped low hills from which a number of streams drain into the backwater system. The ridge line of the eastern low hills provides a welldefined watershed delimiting Cochin basin which help to confine the environmental parameters within a physical limit. This leads to an obvious conclusion that if physiography alone is considered, the western flatland is ideal for urban development. However it will result in serious environmental deterioration, as it comprises mainly of wetland and for availability of land there has to be large scale filling up of these wetlands which includes shallow mangrove-fringed water sheets, paddy fields, Pokkali fields, estuary etc.Chapter 1 School 4 of Environmental Studies The urban boundaries of Cochin are expanding fast with a consequent over-stretching of the existing fabric of basic amenities and services. Urbanisation leads to the transformation of agricultural land into built-up areas with the concomitant problems regarding water supply, drainage, garbage and sewage disposal etc. Many of the environmental problems of Cochin are hydrologic in origin; like water-logging / floods, sedimentation and pollution in the water bodies as well as shoreline erosion

Estimation of Effective Impervious Surface Area of Cochin using Satellite Images

Urbanization refers to the process in which an increasing proportion of a population lives in cities and suburbs. Urbanization fuels the alteration of the Land use/Land cover pattern of the region including increase in built-up area, leading to imperviousness of the ground surface. With increasing urbanization and population pressures; the impervious areas in the cities are increasing fast. An impervious surface refers to an anthropogenic ally modified surface that prevents water from infiltrating into the soil. Surface imperviousness mapping is important for the studies related to water cycling, water quality, soil erosion, flood water drainage, non-point source pollution, urban heat island effect and urban hydrology. The present study estimates the Total Impervious Area (TIA) of the city of Kochi using high resolution satellite image (LISS IV, 5m. resolution). Additionally the study maps the Effective Impervious Area (EIA) by coupling the capabilities of GIS and Remote Sensing. Land use/Land cover map of the study area was prepared from the LISS IV image acquired for the year 2012. The classes were merged to prepare a map showing pervious and impervious area. Supervised Maximum Likelihood Classification (Supervised MLC),which is a simple but accurate method for image classification, is used in calculating TIA and an overall classification accuracy of 86.33% was obtained. Water bodies are 100% pervious, whereas urban built up area are 100% impervious. Further based on percentage of imperviousness, the Total Impervious Area is categorized into various classes

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

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.

Soil fertility and nutrient status of traditional Gayo coffee agroforestry systems in the Takengon region, Aceh Province, Indonesia

Little is known about the traditional coffee cultivation systems in Central Aceh, Indonesia, where coffee production is a major source of income for local Gayo people. Based on field observations and farmer interviews, 14 representative agroforestry coffee plantations of different age classes (60-70 years, 30-40 years, and 20 years) as well as seven adjacent grassland and native forest sites were selected for this study, and soil and coffee leaf samples collected for nutrient analysis. Significant differences in soil and coffee leaf parameters were found between former native forest and Sumatran pine (Pinus merkusii) forest as previous land cover indicating the importance of the land use history for today’s coffee cultivation. Soil pH as well as exchangeable Na and Ca concentrations were significantly lower on coffee plantations compared to grassland and forest sites. Soil C, N, plant available P, exchangeable K, and Mg concentrations showed no consistent differences between land use groups. Nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) concentrations of coffee leaves were in the sufficiency range, whereas zinc (Zn) contents were found to be consistently below the sufficiency threshold and significantly lower in coffee plantations of previous pine forest cover compared to those of previous native forest cover. While the results of this study provided insights into the nutrient status of coffee plantations in Central Aceh, the heterogeneity of site conditions, limited sampling size, and scarcity of reliable data about the land use history and initial soil conditions of sampled sites preclude more definitive conclusions about the sustainability of the studied systems.