A Method For Producing Airborne Pollen Source Inventories: An Example of Ambrosia (Ragweed) on the Pannonian Plain

We present here a simple methodology for calculating species inventories for allergenic pollen that can be used by atmospheric transport models. Ragweed (Ambrosia) species distribution or infection level on the Pannonian Plain has been used as an example of how the methodology can be used. The Pannonian Plain is one of the three main regions in Europe recognized as being polluted by Ambrosia. The methodology relies on spatial variations in annual Ambrosia pollen counts, knowledge on ragweed ecology and detailed land cover information. The results of this analysis showed that some of the highest mean annual ragweed pollen concentrations were witnessed around Kecskemét in central Hungary and Novi Sad in northern Serbia. These areas are also the areas with the highest density of Ambrosia habitats. The resulting inventory can be entered into atmospheric transport models in combination with other components such as a phenological model and a model for daily pollen release, in order to simulate the movement of ragweed pollen from the Pannonian Plain. The methodology is likely to be generally applicable for creating inventories of species distribution of allergenic plants. The main requirement is availability of: detailed land cover information; pollen indexes; a list of the most important habitats; and a region of interest that is mainly influenced by local sources.

Population and landscape genetics of the stone marten and red fox in Portugal : implications for conservation management of common carnivores

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia da Conservação), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

Ragweed Pollen Source Inventory for France - the Second Largest Centre of Ambrosia in Europe

France, in particular the Rhône-Alpes region, is one of the three main centres of ragweed (Ambrosia) in Europe. The aim of this study is to develop a gridded ragweed pollen source inventory for all of France that can be used in assessments, eradication plans and by atmospheric models for describing concentrations of airborne ragweed pollen. The inventory combines information about spatial variations in annual Ambrosia pollen counts, knowledge of ragweed ecology, detailed land cover information and a Digital Elevation Model. The ragweed inventory consists of a local infection level on a scale of 0–100% (where 100% is the highest plant abundance per area in the studied region) and a European infection level between 0% and 100% (where 100% relates to the highest identified plant abundance in Europe using the same methodology) that has been distributed onto the EMEP grid with 5 km × 5 km resolution. The results of this analysis showed that some of the highest mean annual ragweed pollen concentrations were recorded at Roussillon in the Rhône-Valley. This is reflected by the inventory, where the European infection level has been estimated to reach 67.70% of the most infected areas in Europe i.e. Kecskemét in central Hungary. The inventory shows that the Rhône Valley is the most heavily infected part of France. Central France is also infected, but northern and western parts of France are much less infected. The inventory can be entered into atmospheric transport models, in combination with other components such as a phenological model and a model for daily pollen release, in order to simulate the dispersion of ragweed pollen within France as well as potential long-distance transport from France to other European countries.

Pollen From Alder (Alnus sp.), Birch (Betula sp.) and Oak (Quercus sp.) in the UK Originate From Small Woodlands

We have analysed the pollen seasons in Worcester for the period 2005–12 for alder (Alnus), birch (Betula) and oak (Quercus) by using back trajectory calculations and produced the first detailed source maps for these three pollen types. The study shows considerable variations in the source–receptor relationship of three of the most important tree pollen types in England with respect to allergy. Long Distance Transport is observed for Quercus and Betula but not for Alnus. The new source maps show a number of high emitting areas for Betula and Quercus, mainly near London, in the Midlands and in Wales. The production of source maps is sensitive to the used type of land cover data and how well they incorporate small woodlands. Two satellite products, Corine Land Cover and Globcover, are compared with the detailed national land cover product Land Cover Map 2007. The broad scale satellite products show either up to 50% less woody coverage or a direct misplacement of woodlands. The Lagrangian back trajectory model, the pollen count observations and the source maps altogether suggest that small woodlands (below 25 ha) play a major role in the overall pollen load in urban areas in England.

Ragweed (Ambrosia) Pollen Source Inventory for Austria

This study improves the spatial coverage of top-down Ambrosia pollen source inventories for Europe by expanding the methodology to Austria, a country that is challenging in terms of topography and the distribution of ragweed plants. The inventory combines annual ragweed pollen counts from 19 pollen-monitoring stations in Austria (2004–2013), 657 geographical observations of Ambrosia plants, a Digital Elevation Model (DEM), local knowledge of ragweed ecology and CORINE land cover information from the source area. The highest mean annual ragweed pollen concentrations were generally recorded in the East of Austria where the highest densities of possible growth habitats for Ambrosia were situated. Approximately 99% of all observations of Ambrosia populations were below 745 m. The European infection level varies from 0.1% at Freistadt in Northern Austria to 12.8% at Rosalia in Eastern Austria. More top-down Ambrosia pollen source inventories are required for other parts of Europe.

Risk of Exposure to Airborne Ambrosia Pollen from Local and Distant Sources in Europe – an Example from Denmark

Background. Ambrosia artemisiifolia L. is a noxious invasive alien species in Europe. It is an important aeroallergen and millions of people are exposed to its pollen. Objective. The main aim of this study is to show that atmospheric concentrations of Ambrosia pollen recorded in Denmark can be derived from local or more distant sources. Methods. This was achieved by using a combination of pollen measurements, air mass trajectory calculations using the HYPLIT model and mapping all known Ambrosia locations in Denmark and relating them to land cover types. Results. The annual pollen index recorded in Copenhagen during a 15-year period varied from a few pollen grains to more than 100. Since 2005, small quantities of Ambrosia pollen has been observed in the air every year. We have demonstrated, through a combination of Lagrangian back-trajectory calculations and atmospheric pollen measurements, that pollen arrived in Denmark via long-distance transport from centres of Ambrosia infection, such as the Pannonian Plain and Ukraine. Combining observations with results from a local scale dispersion model show that it is possible that Ambrosia pollen could be derived from local sources identified within Denmark. Conclusions. The high allergenic capacity of Ambrosia pollen means that only small amounts of pollen are relevant for allergy sufferers, and just a few plants will be sufficient to produce enough pollen to affect pollen allergy sufferers within a short distance from the source. It is necessary to adopt control measures to restrict Ambrosia numbers. Recommendations for the removal of all Ambrosia plants can effectively reduce the amount of local pollen, as long as the population of Ambrosia plants is small.

Wildfire susceptibility modelling in mainland Portugal

Tese de doutoramento, Geografia (Geografia Física), Universidade de Lisboa, Instituto de Geografia e Ordenamento do Território, 2015

Gas emissions on rice culture and its importance on air quality

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente Perfil Gestão de Sistemas Ambientais

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.