Hydrogeological, Geophysical And Geochemical Studies In Parts Of Coastal And Midland Areas, Central Kerala - A Gis Approach

The present study deals with the different hydrogeological characteristics of the coastal region of central Kerala and a comparative analysis with corresponding hard rock terrain. The coastal regions lie in areas where the aquifer systems discharge groundwater ultimately into the sea. Groundwater development in such regions will require a precise understanding of the complex mechanism of the saline and fresh water relationship, so that the withdrawals are so regulated as to avoid situations leading to upcoming of the saline groundwater bodies as also to prevent migration of sea water ingress further inland. Coastal tracts of Kerala are formed by several drainage systems. Thick pile of semi-consolidated and consolidated sediments from Tertiary to Recent age underlies it. These sediments comprise phreatic and confined aquifer systems. The corresponding hard rock terrain is encountered with laterites and underlined by the Precambrian metamorphic rocks. Supply of water from hard rock terrain is rather limited. This may be due to the small pore size, low degree of interconnectivity and low extent of weathering of the country rocks. The groundwater storage is mostly controlled by the thickness and hydrological properties of the weathered zone and the aquifer geometry. The over exploitation of groundwater, beyond the ‘safe yield’ limit, cause undesirable effects like continuous reduction in groundwater levels, reduction in river flows, reduction in wetland surface, degradation of groundwater quality and many other environmental problems like drought, famine etc.

Wireless Sensor Networks for Paddy Field Crop Monitoring Application in Kuttanad

The evolution of wireless sensor network technology has enabled us to develop advanced systems for real time monitoring. In the present scenario wireless sensor networks are increasingly being used for precision agriculture. The advantages of using wireless sensor networks in agriculture are distributed data collection and monitoring, monitor and control of climate, irrigation and nutrient supply. Hence decreasing the cost of production and increasing the efficiency of production.This paper describes the application of wireless sensor network for crop monitoring in the paddy fields of kuttand, a region of Kerala, the southern state of India.

Development and Deployment of Wireless Sensor Network in Paddy Fields of Kuttanad

The evolution of wireless sensor network technology has enabled us to develop advanced systems for real time monitoring. In the present scenario wireless sensor networks are increasingly being used for precision agriculture. The advantages of using wireless sensor networks in agriculture are distributed data collection and monitoring, monitor and control of climate, irrigation and nutrient supply. Hence decreasing the cost of production and increasing the efficiency of production. This paper describes the development and deployment of wireless sensor network for crop monitoring in the paddy fields of Kuttanad, a region of Kerala, the southern state of India.

Energy Optimized Secure Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

The evolution of wireless sensor network technology has enabled us to develop advanced systems for real time monitoring. In the present scenario wireless sensor networks are increasingly being used for precision agriculture. The advantages of using wireless sensor networks in agriculture are distributed data collection and monitoring, monitor and control of climate, irrigation and nutrient supply. Hence decreasing the cost of production and increasing the efficiency of production. This paper describes the security issues related to wireless sensor networks and suggests some techniques for achieving system security. This paper also discusses a protocol that can be adopted for increasing the security of the transmitted data

Studies on arbuscular mycorrhiza (AM) in the Alentejo (Portugal) using pea mutants resistant to AM fungi as a control tool for field conditions

The utilization and management of arbuscular mycorrhiza (AM) symbiosis may improve production and sustainability of the cropping system. For this purpose, native AM fungi (AMF) were sought and tested for their efficiency to increase plant growth by enhanced P uptake and by alleviation of drought stress. Pot experiments with safflower (Carthamus tinctorius) and pea (Pisum sativum) in five soils (mostly sandy loamy Luvisols) and field experiments with peas were carried out during three years at four different sites. Host plants were grown in heated soils inoculated with AMF or the respective heat sterilized inoculum. In the case of peas, mutants resistant to AMF colonization were used as non-mycorrhizal controls. The mycorrhizal impact on yields and its components, transpiration, and P and N uptake was studied in several experiments, partly under varying P and N levels and water supply. Screening of native AMF by most probable number bioassays was not very meaningful. Soil monoliths were placed in the open to simulate field conditions. Inoculation with a native AMF mix improved grain yield, shoot and leaf growth variables as compared to control. Exposed to drought, higher soil water depletion of mycorrhizal plants resulted in a haying-off effect. The growth response to this inoculum could not be significantly reproduced in a subsequent open air pot experiment at two levels of irrigation and P fertilization, however, safflower grew better at higher P and water supply by multiples. The water use efficiency concerning biomass was improved by the AMF inoculum in the two experiments. Transpiration rates were not significantly affected by AM but as a tendency were higher in non-mycorrhizal safflower. A fundamental methodological problem in mycorrhiza field research is providing an appropriate (negative) control for the experimental factor arbuscular mycorrhiza. Soil sterilization or fungicide treatment have undesirable side effects in field and greenhouse settings. Furthermore, artificial rooting, temperature and light conditions in pot experiments may interfere with the interpretation of mycorrhiza effects. Therefore, the myc- pea mutant P2 was tested as a non-mycorrhizal control in a bioassay to evaluate AMF under field conditions in comparison to the symbiotic isogenetic wild type of var. FRISSON as a new integrative approach. However, mutant P2 is also of nod- phenotype and therefore unable to fix N2. A 3-factorial experiment was carried out in a climate chamber at high NPK fertilization to examine the two isolines under non-symbiotic and symbiotic conditions. P2 achieved the same (or higher) biomass as wild type both under good and poor water supply. However, inoculation with the AMF Glomus manihot did not improve plant growth. Differences of grain and straw yields in field trials were large (up to 80 per cent) between those isogenetic pea lines mainly due to higher P uptake under P and water limited conditions. The lacking N2 fixation in mutants was compensated for by high mineral N supply as indicated by the high N status of the pea mutant plants. This finding was corroborated by the results of a major field experiment at three sites with two levels of N fertilization. The higher N rate did not affect grain or straw yields of the non-fixing mutants. Very efficient AMF were detected in a Ferric Luvisol on pasture land as revealed by yield levels of the evaluation crop and by functional vital staining of highly colonized roots. Generally, levels of grain yield were low, at between 40 and 980 kg ha-1. An additional pot trial was carried out to elucidate the strong mycorrhizal effect in the Ferric Luvisol. A triplication of the plant equivalent field P fertilization was necessary to compensate for the mycorrhizal benefit which was with five times higher grain yield very similar to that found in the field experiment. However, the yield differences between the two isolines were not always plausible as the evaluation variable because they were also found in (small) field test trials with apparently sufficient P and N supply and in a soil of almost no AMF potential. This similarly occurred for pea lines of var. SPARKLE and its non-fixing mycorrhizal (E135) and non-symbiotic (R25) isomutants, which were tested in order to exclude experimentally undesirable benefits by N2 fixation. In contrast to var. FRISSON, SPARKLE was not a suitable variety for Mediterranean field conditions. This raises suspicion putative genetic defects other than symbiotic ones may be effective under field conditions, which would conflict with the concept of an appropriate control. It was concluded that AMF resistant plants may help to overcome fundamental problems of present research on arbuscular mycorrhiza, but may create new ones.

Vegetation changes in a river oasis on the southern rim of the Taklamakan Desert in China between 1956 and 2000

The indigenous vegetation surrounding the river oases on the southern rim of the Taklamakan Desert has drastically diminished due to overexploitation as a source of fodder, timber and fuel for the human population. The change in the spatial extent of landscape forms and vegetation types around the Qira oasis was analyzed by comparing SPOT satellite images from 1998 with aerial photographs from 1956. The analysis was supplemented by field surveys in 1999 and 2000. The study is part of a joint Chinese-European project with the aim of assessing the current state of the foreland vegetation, of gathering information on the regeneration potential and of suggesting procedures for a sustainable management. With 33 mm of annual precipitation, plants can only grow if they have access to groundwater, lakes or rivers. Most of the available water comes into the desert via rivers in the form of seasonal flooding events resulting from snow melt in the Kun Lun Mountains. This water is captured in canal systems and used for irrigation of arable fields. Among the eight herbaceous and woody vegetation types and the type of open sand without any plant life that were mapped in 2000 in the oasis foreland, only the latter, the oasis border between cultivated land and open Populus euphratica forests and Tamarix ramosissima-Phragmites australis riverbed vegetation could be clearly identified on the photographs from 1956. The comparison of the images revealed that the oasis increased in area between 1956 and 2000. Shifting sand was successfully combated near to the oasis borders but increased in extent at the outward border of the foreland vegetation. In contrast to expectations, the area covered with Populus trees was smaller in 1956 than today due to some new forests in the north of the oasis that have grown up since 1977. Subfossil wood and leaf remnants of Populus euphratica that were found in many places in the foreland must have originated from forests destroyed before 1956. In the last 50 years, the main Qira River has shifted its bed significantly northward and developed a new furcation with a large new bed in 1986. The natural river dynamics are not only an important factor in forming the oasis’ landscape but also in providing the only possible regeneration sites for all occurring plant species. The conclusion of the study is that the oasis landscape has changed considerably in the last 50 years due to natural floodings and to vegetation degradation by human overexploitation. The trend towards decreasing width of the indigenous vegetation belt resulting from the advancing desert and the expansion of arable land is particularly alarming because a decrease in its protective function against shifting sand can be expected in the future.

Settlement history of a mountain oasis in Northern Oman

To unravel the settlement history of oases in northern Oman, data on topography, the agricultural setting, water and soil parameters and archaeological findings were collected in the Wadi Bani Awf with its head oasis Balad Seet. Data collection lasted from April 2000 to April 2003 and was based on the establishment of a 3D-georeferenced map of the oasis comprising all its major infrastructural and agronomic features. At today's Balad Seet, a total of 8.8 ha are planted to 2,800 date palms and 4.6 ha are divided into 385 small fields dedicated to wheat, barley, sorghum, oats, alfalfa, garlic, onion, lime and banana. Radiocarbon dating of charcoal in the lower part of the main terrace system determined its age to 911 ± 43 years. Monthly flow measurements of four major aflaj systems showed a total maximum flow of 32 m^3 h^-1 with the largest falaj contributing 78% of the total flow. During drought periods, average water flow decreased by 3% per month, however, with significant differences between the spring systems. The analysis of the tritium/^3helium ratio in the water led to an estimated water age of up to 10 years. In combination with the flow data, this provided insights into the elasticity of the spring flow over time. The use of the natural resources of the Wadi Bani Awf by a pastoral population started probably in the early 3rd millennium BC. The first permanent settlement might have been established at Balad Seet during the first part of the 1st millennium BC. Presumably it was initiated by settlers from al-Hamra, a village at the southern foot of the Hajar mountains. Given an abundant und stable flow of springs, even in periods of drought, the construction of Balad Seet's first irrigation systems may have occurred at this early time. The combination of topographic, agricultural, hydro-pedological and archaeological data allowed assessment of the carrying capacity of this oasis over the three millennia of its likely existence. The changing scarcity of land and water and the eventual optimisation of their use by different aflaj constructions have been major driving forces for the development and apparent relativeley stable existence of this oasis.

Drainage, salt leaching and physico-chemical properties of irrigated man-made terrace soils in a mountain oasis of northern Oman

Little is known about the sustainability of irrigated oasis agriculture in northern Oman. The objective of this study therefore was to examine which factors allowed agricultural productivity to be apparently maintained during the two millenia of a mountain oasis’ existence. Soil moisture and physico-chemical properties were measured in a typical flood-irrigated field sown to alfalfa (Medicago sativa L.). Particle size, organic (C_org) and inorganic carbon content, pH and electrical conductivity (EC)of the soil profile were analyzed at 0.15, 0.45 and 1.00 m. Saturated hydraulic conductivity and the soil’s apparent bulk density and water potential were determined from undisturbed samples at 0.05, 0.25 and 0.60 m. During irrigation cycles of 6–9 days, volumetric water contents ranged from 30% to 13%. A tracer experiment with potassium bromide revealed that 52–56% of the irrigation water was stored in the upper 0.4 m of the soil. The rest of the water moved further down the profile, thus providing the necessary drainage to avoid the build-up of toxic salt concentrations. Due to differences in pore size, plant-available water in the topsoil amounted to 18.7% compared to 13% and 13.5% at 0.25- and 0.60-m depth, respectively. The aggregate structure in the upper 1.0 m of the profile is likely preserved by concentrations of calcium carbonate (CaCO3) from 379 to 434 mg kg^-1 and C_org from 157 to 368 mg kg^-1 soil. The data indicate that the sustainability of this irrigated landuse system is due to high water quality with low sodium but high CaCO3 concentration, the elaborate terrace structure and water management which allows adequate drainage.

Nutrient cycling and field-based partial nutrient balances in two mountain oases of Oman

Little is known about nutrient fluxes as a criterion to assess the sustainability of traditional irrigation agriculture in eastern Arabia. In this study GIS-based field research on terraced cropland and groves of date palm (Phoenix dactylifera L.) was conducted over 2 years in two mountain oases of northern Oman to determine their role as hypothesized sinks for nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K). At Balad Seet 55% of the 385 fields received annual inputs of 100–500 kg N ha^-1 and 26% received 500–1400 kg N ha^-1. No N was applied to 19% of the fields which were under fallow. Phosphorus was applied annually at 1–90 kg ha^-1 on 46% of the fields, whereas 27% received 90–210 kg ha^-1. No K was applied to 27% of the fields, 32% received 1–300 kg K ha^-1, and the remaining fields received up to 1400 kg ha^-1. At Maqta N-inputs were 61–277 kg ha^-1 in palm groves and 112–225 kg ha^-1 in wheat (Triticum spp.) fields, respective P inputs were 9–40 and 14–29 kg ha^-1, and K inputs were 98–421 and 113–227 kg ha^-1. For cropland, partial oasis balances (comprising inputs of manure, mineral fertilizers, N2-fixation and irrigation water, and outputs of harvested products) were similar for both oases, with per hectare surpluses of 131 kg N, 37 kg P, and 84 kg K at Balad Seet and of 136 kg N, 16 kg P and 66 kg K at Maqta. This was despite the fact that N2-fixation by alfalfa (Medicago sativa L.), estimated at up to 480 kg ha^-1 yr^-1 with an average total dry matter of 22 t ha^-1, contributed to the cropland N-balance only at the former site. Respective palm grove surpluses, in contrast were with 303 kg N, 38 kg P, and 173 kg K ha^-1 much higher at Balad Seet than with 84 kg N, 14 kg P, and 91 kg K ha^-1 at Maqta. The data show that both oases presently are large sinks for nutrients. Potential gaseous and leaching losses could at least partly be controlled by a decrease in nutrient input intensity and careful incorporation of manure.

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.

Horizontal nutrient fluxes and production efficiencies in urban and peri-urban crop and livestock husbandry of Niamey, Niger

Urban and peri-urban agriculture (UPA) increasingly supplies food and non-food values to the rapidly growing West African cities. However, little is known about the resource use efficiencies in West African small-scale UPA crop and livestock production systems, and about the benefits that urban producers and retailers obtain from the cultivation and sale of UPA products. To contribute to filling this gap of knowledge, the studies comprising this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative urban crop and livestock production system in Niamey, Niger, and investigated potential health risks for consumers. Also assessed was the economic efficiency of urban farming activities. The field study, which was conducted during November 2005 to January 2008, quantified management-related horizontal nutrient flows in 10 vegetable gardens, 9 millet fields and 13 cattle and small ruminant production units. These farms, selected on the basis of a preceding study, represented the diversity of UPA crop and livestock production systems in Niamey. Based on the management intensity, the market orientation and especially the nutrient input to individual gardens and fields, these were categorized as high or low input systems. In the livestock study, high and low input cattle and small ruminant units were differentiated based on the amounts of total feed dry matter offered daily to the animals at the homestead. Additionally, economic returns to gardeners and market retailers cultivating and selling amaranth, lettuce, cabbage and tomato - four highly appreciated vegetables in Niamey were determined during a 6-months survey in forty gardens and five markets. For vegetable gardens and millet fields, significant differences in partial horizontal nutrient balances were determined for both management intensities. Per hectare, average annual partial balances for carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) amounted to 9936 kg C, 1133 kg N, 223 kg P and 312 kg K in high input vegetable gardens as opposed to 9580 kg C, 290 kg N, 125 kg P and 351 kg K in low input gardens. These surpluses were mainly explained by heavy use of mineral fertilizers and animal manure to which irrigation with nutrient rich wastewater added. In high input millet fields, annual surpluses of 259 kg C ha-1, 126 kg N ha-1, 20 kg P ha-1 and 0.4 kg K ha-1 were determined. Surpluses of 12 kg C ha-1, 17 kg N ha-1, and deficits of -3 kg P ha-1 and -3 kg K ha-1 were determined for low input millet fields. Here, carbon and nutrient inputs predominantly originated from livestock manure application through corralling of sheep, goats and cattle. In the livestock enterprises, N, P and K supplied by forages offered at the farm exceeded the animals’ requirements for maintenance and growth in high and low input sheep/goat as well as cattle units. The highest average growth rate determined in high input sheep/goat units was 104 g d-1 during the cool dry season, while a maximum average gain of 70 g d-1 was determined for low input sheep/goat units during the hot dry season. In low as well as in high input cattle units, animals lost weight during the hot dry season, and gained weight during the cool dry season. In all livestock units, conversion efficiencies for feeds offered at the homestead were rather poor, ranging from 13 to 42 kg dry matter (DM) per kg live weight gain (LWG) in cattle and from 16 to 43 kg DM kg-1 LWG in sheep/goats, pointing to a substantial waste of feeds and nutrients. The economic assessment of the production of four high value vegetables pointed to a low efficiency of N and P use in amaranth and lettuce production, causing low economic returns for these crops compared to tomato and cabbage to which inexpensive animal manure was applied. The net profit of market retailers depended on the type of vegetable marketed. In addition it depended on marketplace for amaranth and lettuce, and on season and marketplace for cabbage and tomato. Analysis of faecal pathogens in lettuce irrigated with river water and fertilized with animal manure indicated a substantial contamination by Salmonella spp. with 7.2 x 104 colony forming units (CFU) per 25 g of produce fresh matter, while counts of Escherichia coli averaged 3.9 x 104 CFU g-1. In lettuce irrigated with wastewater, Salmonella counts averaged 9.8 x 104 CFU 25 g-1 and E. coli counts were 0.6 x 104 CFU g-1; these values exceeded the tolerable contamination levels in vegetables of 10 CFU g-1 for E. coli and of 0 CFU 25 g-1 for Salmonella. Taken together, the results of this study indicate that Niamey’s UPA enterprises put environmental safety at risk since excess inputs of N, P and K to crop and livestock production units favour N volatilisation and groundwater pollution by nutrient leaching. However, more detailed studies are needed to corroborate these indications. Farmers’ revenues could be significantly increased if nutrient use efficiency in the different production (sub)systems was improved by better matching nutrient supply through fertilizers and feeds with the actual nutrient demands of plants and animals.

Carbon and nitrogen emissions from stored manure and cropped fields in irrigated mountain oases of Oman

Little is known about gaseous carbon (C) and nitrogen (N) emissions from traditional terrace agriculture in irrigated high mountain agroecosystems of the subtropics. In an effort towards filling this knowledge gap measurements of carbon dioxide (CO_2), methane (CH_4), ammonia (NH_3) and dinitrous oxide (N_2O) were taken with a mobile photoacoustic infrared multi-gas monitor on manure-filled PE-fibre storage bags and on flood-irrigated untilled and tilled fields in three mountain oases of the northen Omani Al Jabal al Akhdar mountains. During typical 9-11 day irrigation cycles of March, August and September 2006 soil volumetric moisture contents of fields dominated by fodder wheat, barley, oats and pomegranate ranged from 46-23%. While manure incorporation after application effectively reduced gaseous N losses, prolonged storage of manure in heaps or in PE-fibre bags caused large losses of C and N. Given the large irrigation-related turnover of organic C, sustainable agricultural productivity of oasis agriculture in Oman seems to require the integration of livestock which allows for several applications of manure per year at individual rates of 20 t dry matter ha^−1.

Gaseous and leaching losses of carbon and nitrogen in irrigated organic farming of a coastal oasis in Oman

In der Dissertation wurden die Effekte verschiedener C/N-Verhältnisse und verschiedener Verhältnisse von strukturellen zu löslichen Kohlenhydraten (NDF/SC) von Dung, der in bewässerten Gemüsekulturen im Norden Omans appliziert wurde, untersucht. Im auf sandigen Böden durchgeführten Experiment wurden zwei Büffeldungvarianten zum einen mit einem C/N-Verhältnis von 19 und einem NDF/SC-Verhältnis von 17 (ORG1) und zum anderen mit einem C/N-Verhältnis von 25 und einem NDF/SC-Verhältnis von 108 (ORG2) verwendet. Das relevante faktorielle Anbausystem war eine zweijährige Rotation, bestehend aus Rettich gefolgt von Blumenkohl und Karotte. Eine signifikante Zunahme der Erträge, des Sproßdurchmessers und der Pflanzenhöhe von Blumenkohl (P<0,001) sowie der Konzentration von Askorbinsäure in den Wurzeln von Rettich (P<0,01) mit erhöhter Verfügbarkeit von N, P und K von ORG2 über ORG1 bis hin zur Mineraldünger-Kontrollbehandlung (MIN) konnte festgestellt werden. Innerhalb von 260 Tagen wurden für die gesamte Anbauperiode mit einem photoakustischen Infrarot-Multigasmonitor und einer damit verbundenen Haube bodenbürtige Gasemissionen gemessen. Die errechneten Nettobilanzen zeigten Überschüsse von N und P, welche von Defiziten für K begleitet waren. Die Kohlenstoff Nettobilanzen waren während des Untersuchungszeitraums negativ oder nicht konsistent. Die Ergebnisse zeigen, dass unter extremen klimatischen Bedingungen bewässerter sandiger Böden organische Kultivierung zuerst durch den Kohlenstoffgehalt von Dung und Boden und erst dann durch die applizierten Mengen an N, P und K limitiert wird. Es konnte festgestellt werden, dass Gasemissionen den größten Teil der N und C Verluste von bewässerten sandigen Böden im Norden Omans darstellen. Die Reduzierung von Treibhausgasen und Sickerverlusten sollte weiterhin im Fokus zukünftiger Untersuchungen stehen, um zur Entwicklung von nachhaltigen organischen Anbausystemen im Oman und anderen ariden tropischen Ländern beizutragen.

Nutrient cycling and nutrient use efficiency in urban and peri-urban agriculture of Kabul, Afghanistan

Like elsewhere also in Kabul, Afghanistan urban and peri-urban agriculture (UPA) has often been accused of being resource inefficient and unsustainable causing negatives externalities to community health and to the surroundings. These arise from the inappropriate management and use of agricultural inputs, including often pesticides and inter-city wastes containing heavy metal residues and pathogens. To address these concerns, parallel studies with the aims of quantification of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) horizontal and vertical fluxes; the assessment of heavy metal and pathogen contaminations of UPA produce, and an economic analysis of cereal, vegetable and grape production systems conducted for two years in UPA of Kabul from April 2008 to October 2009. The results of the studies from these three UPA diverse production systems can be abridged as follows: Biennial net balances in vegetable production systems were positive for N (80 kg ha-1 ), P (75 kg ha-1) and C (3,927 kg ha-1), negative for K (-205 kg ha-1), whereas in cereal production systems biennial horizontal balances were positive for P (20 kg ha-1 ) and C (4,900 kg ha-1) negative for N (-155 kg ha-1) and K (-355 kg ha-1) and in vineyards corresponding values were highly positive for N (295 kg ha-1), P (235 kg ha-1), C (3,362 kg ha-1) and slightly positive for K (5 kg ha-1). Regardless of N and C gaseous emissions, yearly leaching losses of N and P in selected vegetable gardens varied from 70 - 205 kg N ha-1 and 5 - 10 kg P ha-1. Manure and irrigation water contributed on average 12 - 79% to total Inputs of N, P, K and C, 10 - 53% to total inputs of C in the gardens and fields. The elevated levels of heavy metal and pathogen loads on fresh UPA vegetables reflected contamination from increasing traffic in the city, deposits of the past decades of war, lacking collection and treatment of raw inter-city wastes which call for solutions to protect consumer and producer health and increase reliability of UPA productions. A cost-revenue analysis of all inputs and outputs of cereal, vegetable and grapes production systems over two years showed substantial differences in net UPA household income. To confirm these results, more detailed studies are needed, but tailoring and managing the optimal application of inputs to crop needs will significantly enhance farmer’s better revenues as will as environmental and produce quality.

Heavy metal and microbial loads in sewage irrigated vegetables of Kabul, Afghanistan

Little is known about the heavy metal and microbial contamination of vegetables produced in Central Asian cities. We therefore measured the concentration of cadmium (Cd), copper (Cu), lead (Pb), and zinc (Zn) and of faecal pathogens (Coliform bacteria, Salmonella sp., Shigella sp., Ascaris lubricoides, Entamoeba sp. and pinworms [Oxyuris vermicularis syn. Enterobius vermicularis]) in soil, irrigation water, and marketed vegetables of Kabul City, Afghanistan. Leaf Pb and Zn concentrations of leafy vegetables were with 1–5 and 33–160 mg kg^{-1} dry weight (DW) several-fold above respective international thresholds of 0.3 mg Pb kg^{-1} and 50 mg Zn kg^{-1}. The tissue concentration of Cu was below threshold limits in all samples except for spinach in one farm. Above-threshold loads of microbes and parasites on vegetables were found in five out of six gardens with coliforms ranging from 0.5–2 × 10^7 cells 100g^{-1} fresh weight (FW), but no Salmonella and Shigella were found. Contamination with 0.2 × 10^7 eggs 100g^{-1} FW of Ascaris was detected on produce of three farms and critical concentrations of Entamoeba in a single case, while Oxyuris vermicularis, and Enterobius vermicularis were found on produce of three and four farms, respectively. Irrigation water had Ascaris, Coliforms, Salmonella, Shigella, Entamoeba, and Oxyuris vermicularis syn. Enterobius vermicularis ranging from 0.35 × 10^7 to 2 × 10^7 cells l^{-1}. The heavy metal and microbial loads on fresh UPA vegetables are likely the result of contamination from rising traffic, residues of the past decades of war and lacking treatment of sewage which needs urgent attention.