Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Impact of sward type, cutting date and conditioning temperature on mass and energy flows in the integrated generation of solid fuel and biogas from semi-natural grassland

Energy production from biomass and the conservation of ecologically valuable grassland habitats are two important issues of agriculture today. The combination of a bioenergy production, which minimises environmental impacts and competition with food production for land with a conversion of semi-natural grasslands through new utilization alternatives for the biomass, led to the development of the IFBB process. Its basic principle is the separation of biomass into a liquid fraction (press fluid, PF) for the production of electric and thermal energy after anaerobic digestion to biogas and a solid fraction (press cake, PC) for the production of thermal energy through combustion. This study was undertaken to explore mass and energy flows as well as quality aspects of energy carriers within the IFBB process and determine their dependency on biomass-related and technical parameters. Two experiments were conducted, in which biomass from semi-natural grassland was conserved as silage and subjected to a hydrothermal conditioning and a subsequent mechanical dehydration with a screw press. Methane yield of the PF and the untreated silage was determined in anaerobic digestion experiments in batch fermenters at 37°C with a fermentation time of 13-15 and 27-35 days for the PF and the silage, respectively. Concentrations of dry matter (DM), ash, crude protein (CP), crude fibre (CF), ether extract (EE), neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF), acid detergent ligning (ADL) and elements (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) were determined in the untreated biomass and the PC. Higher heating value (HHV) and ash softening temperature (AST) were calculated based on elemental concentration. Chemical composition of the PF and mass flows of all plant compounds into the PF were calculated. In the first experiment, biomass from five different semi-natural grassland swards (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) was harvested at one late sampling (19 July or 31 August) and ensiled. Each silage was subjected to three different temperature treatments (5°C, 60°C, 80°C) during hydrothermal conditioning. Based on observed methane yields and HHV as energy output parameters as well as literature-based and observed energy input parameters, energy and green house gas (GHG) balances were calculated for IFBB and two reference conversion processes, whole-crop digestion of untreated silage (WCD) and combustion of hay (CH). In the second experiment, biomass from one single semi-natural grassland sward (Arrhenaterion) was harvested at eight consecutive dates (27/04, 02/05, 09/05, 16/05, 24/05, 31/05, 11/06, 21/06) and ensiled. Each silage was subjected to six different treatments (no hydrothermal conditioning and hydrothermal conditioning at 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C). Energy balance was calculated for IFBB and WCD. Multiple regression models were developed to predict mass flows, concentrations of elements in the PC, concentration of organic compounds in the PF and energy conversion efficiency of the IFBB process from temperature of hydrothermal conditioning as well as NDF and DM concentration in the silage. Results showed a relative reduction of ash and all elements detrimental for combustion in the PC compared to the untreated biomass of 20-90%. Reduction was highest for K and Cl and lowest for N. HHV of PC and untreated biomass were in a comparable range (17.8-19.5 MJ kg-1 DM), but AST of PC was higher (1156-1254°C). Methane yields of PF were higher compared to those of WCD when the biomass was harvested late (end of May and later) and in a comparable range when the biomass was harvested early and ranged from 332 to 458 LN kg-1 VS. Regarding energy and GHG balances, IFBB, with a net energy yield of 11.9-14.1 MWh ha-1, a conversion efficiency of 0.43-0.51, and GHG mitigation of 3.6-4.4 t CO2eq ha-1, performed better than WCD, but worse than CH. WCD produces thermal and electric energy with low efficiency, CH produces only thermal energy with a low quality solid fuel with high efficiency, IFBB produces thermal and electric energy with a solid fuel of high quality with medium efficiency. Regression models were able to predict target parameters with high accuracy (R2=0.70-0.99). The influence of increasing temperature of hydrothermal conditioning was an increase of mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and a differing effect on energy conversion efficiency. The influence of increasing NDF concentration of the silage was a differing effect on mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. The influence of increasing DM concentration of the silage was a decrease of mass flows, an increase of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. Based on the models an optimised IFBB process would be obtained with a medium temperature of hydrothermal conditioning (50°C), high NDF concentrations in the silage and medium DM concentrations of the silage.

Interacting software-agents to support a kind of expert supervision systems

Expert supervision systems are software applications specially designed to automate process monitoring. The goal is to reduce the dependency on human operators to assure the correct operation of a process including faulty situations. Construction of this kind of application involves an important task of design and development in order to represent and to manipulate process data and behaviour at different degrees of abstraction for interfacing with data acquisition systems connected to the process. This is an open problem that becomes more complex with the number of variables, parameters and relations to account for the complexity of the process. Multiple specialised modules tuned to solve simpler tasks that operate under a co-ordination provide a solution. A modular architecture based on concepts of software agents, taking advantage of the integration of diverse knowledge-based techniques, is proposed for this purpose. The components (software agents, communication mechanisms and perception/action mechanisms) are based on ICa (Intelligent Control architecture), software middleware supporting the build-up of applications with software agent features

Programming Principles: Variables, Primitives, Objects and Scope

In this session we look more closely at the way that Java deals with variables, and in particular with the differences between primitives (basic types like int and char) and objects. We also take an initial look at the scoping rules in Java, which dictate the visibility of variables in your program

Vignettes and self-reported work disability in the United States: Correction of report heterogeneity

Subjective measures of health tend to suffer from bias given by reporting heterogeneity. however, some methodologies are used to correct the bias in order to compare self-assessed health for respondents with different sociodemographic characteristics. One of the methods to correct this is the hierarchical ordered probit (hopit), which includes rates of vignettes -hypothetical individuals with a fixed health state- and where two assumptions have to be fulfilled, vignette equivalence and response consistency. this methodology is used for the self-reported work disability for a sample of the united states for 2011. The results show that even though sociodemographic variables influence rating scales, adjusting for this does not change their effect on work disability, which is only influenced by income. the inclusion of variables related with ethnicity or place of birth does not influence the true work disability. however, when only one of them is excluded, it becomes significant and affects the true level of work disability as well as income.

Prediction of the bulking phenomenon in wastewater treatment plants

The control and prediction of wastewater treatment plants poses an important goal: to avoid breaking the environmental balance by always keeping the system in stable operating conditions. It is known that qualitative information — coming from microscopic examinations and subjective remarks — has a deep influence on the activated sludge process. In particular, on the total amount of effluent suspended solids, one of the measures of overall plant performance. The search for an input–output model of this variable and the prediction of sudden increases (bulking episodes) is thus a central concern to ensure the fulfillment of current discharge limitations. Unfortunately, the strong interrelation between variables, their heterogeneity and the very high amount of missing information makes the use of traditional techniques difficult, or even impossible. Through the combined use of several methods — rough set theory and artificial neural networks, mainly — reasonable prediction models are found, which also serve to show the different importance of variables and provide insight into the process dynamics

Case-Crossover Analysis of Air Pollution Health Effects: A Systematic Review of Methodology and Application

Case-crossover is one of the most used designs for analyzing the health-related effects of air pollution. Nevertheless, no one has reviewed its application and methodology in this context. Objective: We conducted a systematic review of case-crossover (CCO) designs used to study the relationship between air pollution and morbidity and mortality, from the standpoint of methodology and application.Data sources and extraction: A search was made of the MEDLINE and EMBASE databases.Reports were classified as methodologic or applied. From the latter, the following information was extracted: author, study location, year, type of population (general or patients), dependent variable(s), independent variable(s), type of CCO design, and whether effect modification was analyzed for variables at the individual level. Data synthesis: The review covered 105 reports that fulfilled the inclusion criteria. Of these, 24 addressed methodological aspects, and the remainder involved the design’s application. In the methodological reports, the designs that yielded the best results in simulation were symmetric bidirectional CCO and time-stratified CCO. Furthermore, we observed an increase across time in the use of certain CCO designs, mainly symmetric bidirectional and time-stratified CCO. The dependent variables most frequently analyzed were those relating to hospital morbidity; the pollutants most often studied were those linked to particulate matter. Among the CCO-application reports, 13.6% studied effect modification for variables at the individual level.Conclusions: The use of CCO designs has undergone considerable growth; the most widely used designs were those that yielded better results in simulation studies: symmetric bidirectional and time-stratified CCO. However, the advantages of CCO as a method of analysis of variables at the individual level are put to little use

Predictors of knowledge creation performance. A quantitative qualitative comparative study of European doctorandi

Aquesta tesi forma part d'un projecte destinat a predir el rendiment acadèmic dels estudiants de doctorat portat a terme per l'INSOC (International Network on Social Capital and Performance). El grup de recerca INSOC està format per les universitats de Girona (Espanya), Ljubljana (Eslovènia), Giessen (Alemanya) i Ghent (Bèlgica). El primer objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar anàlisis quantitatius comparatius sobre el rendiment acadèmic dels estudiants de doctorat entre Espanya, Eslovènia i Alemanya a partir dels resultats individuals del rendiment acadèmic obtinguts de cada una de les universitats. La naturalesa internacional del grup de recerca implica la recerca comparativa. Vam utilitzar variables personal, actitudinals i de xarxa per predir el rendiment. El segon objectiu d'aquesta tesi és entendre de manera qualitativa perquè les variables de xarxa no ajuden quantitativament a predir el rendiment a la universitat de Girona (Espanya). En el capítol 1, definim conceptes relacionats amb el rendiment i donam un llistat de cada una de les variables independents (variables de xarxa, personals i actitudinals), resumint la lliteratura. Finalment, explicam com s'organitzen els estudis de doctorat a cada un dels diferents països. A partir d'aquestes definicions teòriques, en els pròxims capítols, primer presentarem els qüestionaris utilitzats a Espanya, Eslovènia i Alemanya per mesurar aquests diferents tipus de variables. Després, compararem les variables que són relevants per predir el rendiment dels estudiants de doctorat a cada país. Després d'això, fixarem diferents models de regressió per predir el rendiment entre països. En tots aquests models les variables de xarxa fallen a predir el rendiment a la Universitat de Girona. Finalment, utilitzem estudis qualitatius per entendre aquests resultats inesperats. En el capítol 2, expliquem com hem dissenyat i conduït els qüestionaris en els diferents països amb l'objectiu d'explicar el rendiment dels estudiants de doctorat obtinguts a Espanya, Eslovènia i Alemanya. En el capítol 3, cream indicadors comparables però apareixen problemes de comparabilitat en preguntes particulars a Espanya, Eslovènia i Alemanya. En aquest capítol expliquem com utilitzem les variables dels tres països per crear indicadors comparables. Aquest pas és molt important perquè el principal objectiu del grup de recerca INSOC és comparar el rendiment dels estudiants de doctorat entre els diferents països. En el capítol 4 comparem models de regressió obtinguts de predir el rendiment dels estudiants de doctorat a les universitats de Girona (Espanya) i Eslovènia. Les variables són característiques dels grups de recerca dels estudiants de doctorat enteses com una xarxa social egocèntrica, característiques personals i actitudinals dels estudiants de doctorat i algunes carecterístiques dels directors. Vam trobar que les variables de xarxa egocèntriques no predien el rendiment a la Universitat de Girona. En el capítol 5, comparem dades eslovenes, espanyoles i alemnayes, seguint la metodologia del capítol 4. Concluïm que el cas alemany és molt diferent. El poder predictiu de les variables de xarxa no millora. En el capítol 6 el grup de recerca dels estudiants de doctorat és entès com una xarxa duocèntrica (Coromina et al., 2008), amb l'objectiu d'obtendre informació de la relació mútua entre els estudiants i els seus directors i els contactes d'ambdós amb els altres de la xarxa. La inclusió de la xarxa duocèntrica no millora el poder predictiu del model de regressió utilitzant les variales egocèntriques de xarxa. El capítol 7 pretèn entendre perquè les variables de xarxa no predeixen el rendiment a la Universitat de Girona. Utilitzem el mètode mixte, esperant que l'estudi qualitatiu pugui cobrir les raons de perquè la qualitat de la xarxa falla en la qualitat del treball dels estudiants. Per recollir dades per l'estudi qualitatiu utilitzem entrevistes en profunditat.

Risk of Agricultural Practices and Habitat Change to Farmland Birds

Many common bird species have declined as a result of agricultural intensification and this could be mitigated by organic farming. We paired sites for habitat and geographical location on organic and nonorganic farms in Ontario, Canada to test a priori predictions of effects on birds overall, 9 guilds and 22 species in relation to candidate models for farming practices (13 variables), local habitat features (12 variables), or habitat features that influence susceptibility to predation. We found that: (1) Overall bird abundance, but not richness, was significantly (p < 0.05) higher on organic sites (mean 43.1 individuals per site) than nonorganic sites (35.8 individuals per site). Significantly more species of birds were observed for five guilds, including primary grassland birds, on organic vs. nonorganic sites. No guild had higher richness or abundance on nonorganic farms; (2) Farming practice models were the best (ΔAIC < 4) for abundance of birds overall, primary grassland bird richness, sallier aerial insectivore richness and abundance, and abundance of ground nesters; (3) Habitat models were the best for overall richness, Neotropical migrant abundance, richness and abundance of Ontario-USA-Mexico (short-distance) migrants and resident richness; (4) Predation models were the best for richness of secondary grassland birds and ground feeders; (5) A combination of variables from the model types were best for richness or abundance overall, 13 of 18 guilds (richness and abundance) and 16 of 22 species analyzed. Five of 10 farming practice variables (including herbicide use, organic farm type) and 9 of 13 habitat variables (including hedgerow length, proportion of hay) were significant in best models. Risk modeling indicated that herbicide use could decrease primary grassland birds by one species (35% decline from 3.4 to 2.3 species) per site. Organic farming could benefit species of conservation concern by 49% (an increase from 7.6 to 11.4 grassland birds). An addition of 63 m of hedgerow could increase abundance and richness of short distance migrants by 50% (3.0 to 4.8 and 1.3 to 2.0, respectively). Increasing the proportion of hay on nonorganic farms to 50% could increase abundance of primary grassland bird by 40% (6.7 to 9.4). Our results provide support for alternative farmland designs and agricultural management systems that could enhance select bird species in farmland.

The relationship between diffuse spectral reflectance of the soil and its cation exchange capacity is scale-dependent

Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) is increasingly being used to predict numerous soil physical, chemical and biochemical properties. However, soil properties and processes vary at different scales and, as a result, relationships between soil properties often depend on scale. In this paper we report on how the relationship between one such property, cation exchange capacity (CEC), and the DRS of the soil depends on spatial scale. We show this by means of a nested analysis of covariance of soils sampled on a balanced nested design in a 16 km × 16 km area in eastern England. We used principal components analysis on the DRS to obtain a reduced number of variables while retaining key variation. The first principal component accounted for 99.8% of the total variance, the second for 0.14%. Nested analysis of the variation in the CEC and the two principal components showed that the substantial variance components are at the > 2000-m scale. This is probably the result of differences in soil composition due to parent material. We then developed a model to predict CEC from the DRS and used partial least squares (PLS) regression do to so. Leave-one-out cross-validation results suggested a reasonable predictive capability (R2 = 0.71 and RMSE = 0.048 molc kg− 1). However, the results from the independent validation were not as good, with R2 = 0.27, RMSE = 0.056 molc kg− 1 and an overall correlation of 0.52. This would indicate that DRS may not be useful for predictions of CEC. When we applied the analysis of covariance between predicted and observed we found significant scale-dependent correlations at scales of 50 and 500 m (0.82 and 0.73 respectively). DRS measurements can therefore be useful to predict CEC if predictions are required, for example, at the field scale (50 m). This study illustrates that the relationship between DRS and soil properties is scale-dependent and that this scale dependency has important consequences for prediction of soil properties from DRS data

Spatial covariation of Azotobacter abundance and soil properties: A case study using the wavelet transform

The soil microflora is very heterogeneous in its spatial distribution. The origins of this heterogeneity and its significance for soil function are not well understood. A problem for understanding spatial variation better is the assumption of statistical stationarity that is made in most of the statistical methods used to assess it. These assumptions are made explicit in geostatistical methods that have been increasingly used by soil biologists in recent years. Geostatistical methods are powerful, particularly for local prediction, but they require the assumption that the variability of a property of interest is spatially uniform, which is not always plausible given what is known about the complexity of the soil microflora and the soil environment. We have used the wavelet transform, a relatively new innovation in mathematical analysis, to investigate the spatial variation of abundance of Azotobacter in the soil of a typical agricultural landscape. The wavelet transform entails no assumptions of stationarity and is well suited to the analysis of variables that show intermittent or transient features at different spatial scales. In this study, we computed cross-variograms of Azotobacter abundance with the pH, water content and loss on ignition of the soil. These revealed scale-dependent covariation in all cases. The wavelet transform also showed that the correlation of Azotobacter abundance with all three soil properties depended on spatial scale, the correlation generally increased with spatial scale and was only significantly different from zero at some scales. However, the wavelet analysis also allowed us to show how the correlation changed across the landscape. For example, at one scale Azotobacter abundance was strongly correlated with pH in part of the transect, and not with soil water content, but this was reversed elsewhere on the transect. The results show how scale-dependent variation of potentially limiting environmental factors can induce a complex spatial pattern of abundance in a soil organism. The geostatistical methods that we used here make assumptions that are not consistent with the spatial changes in the covariation of these properties that our wavelet analysis has shown. This suggests that the wavelet transform is a powerful tool for future investigation of the spatial structure and function of soil biota. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The Wheal Jane wetlands model for bioremediation of acid mine drainage

Acid mine drainage (AMD) is a widespread environmental problem associated with both working and abandoned mining operations. As part of an overall strategy to determine a long-term treatment option for AMD, a pilot passive treatment plant was constructed in 1994 at Wheal Jane Mine in Cornwall, UK. The plant consists of three separate systems, each containing aerobic reed beds, anaerobic cell and rock filters, and represents the largest European experimental facility of its kind. The systems only differ by the type of pretreatment utilised to increase the pH of the influent minewater (pH <4): lime dosed (LD), anoxic limestone drain (ALD) and lime free (LF), which receives no form of pretreatment. Historical data (1994-1997) indicate median Fe reduction between 55% and 92%, sulphate removal in the range of 3-38% and removal of target metals (cadmium, copper and zinc) below detection limits, depending on pretreatment and flow rates through the system. A new model to simulate the processes and dynamics of the wetlands systems is described, as well as the application of the model to experimental data collected at the pilot plant. The model is process based, and utilises reaction kinetic approaches based on experimental microbial techniques rather than an equilibrium approach to metal precipitation. The model is dynamic and utilises numerical integration routines to solve a set of differential equations that describe the behaviour of 20 variables over the 17 pilot plant cells on a daily basis. The model outputs at each cell boundary are evaluated and compared with the measured data, and the model is demonstrated to provide a good representation of the complex behaviour of the wetland system for a wide range of variables. (C) 2004 Elsevier B.V/ All rights reserved.

Formation and circulation of the cold intermediate layer in the Gulf of Saint Lawrence

[ 1] The local heat content and formation rate of the cold intermediate layer (CIL) in the Gulf of Saint Lawrence are examined using a combination of new in situ wintertime observations and a three-dimensional numerical model. The field observations consist of five moorings located throughout the gulf over the period of November 2002 to June 2003. The observations demonstrate a substantially deeper surface mixed layer in the central and northeast gulf than in regions downstream of the buoyant surface outflow from the Saint Lawrence Estuary. The mixed-layer depth in the estuary remains shallow (< 60 m) throughout winter, with the arrival of a layer of near-freezing waters between 40 and 100 m depth in April. An eddy-permitting ice-ocean model with realistic forcing is used to hindcast the period of observation. The model simulates well the seasonal evolution of mixed-layer depth and CIL heat content. Although the greatest heat losses occur in the northeast, the most significant change in CIL heat content over winter occurs in the Anticosti Trough. The observed renewal of CIL in the estuary in spring is captured by the model. The simulation highlights the role of the northwest gulf, and in particular, the separation of the Gaspe Current, in controlling the exchange of CIL between the estuary and the gulf. In order to isolate the effects of inflow through the Strait of Belle Isle on the CIL heat content, we examine a sensitivity experiment in which the strait is closed. This simulation shows that the inflow has a less important effect on the CIL than was suggested by previous studies.

The development and application of capillary electrophoresis methods for food analysis

Capillary electrophoresis (CE) offers the analyst a number of key advantages for the analysis of the components of foods. CE offers better resolution than, say, high-performance liquid chromatography (HPLC), and is more adept at the simultaneous separation of a number of components of different chemistries within a single matrix. In addition, CE requires less rigorous sample cleanup procedures than HPLC, while offering the same degree of automation. However, despite these advantages, CE remains under-utilized by food analysts. Therefore, this review consolidates and discusses the currently reported applications of CE that are relevant to the analysis of foods. Some discussion is also devoted to the development of these reported methods and to the advantages/disadvantages compared with the more usual methods for each particular analysis. It is the aim of this review to give practicing food analysts an overview of the current scope of CE.