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155 Research products, page 1 of 16

  • Rural Digital Europe
  • Publications
  • Research software
  • 2019-2023
  • Doctoral thesis
  • Energy Research

10
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  • Open Access English
    Authors: 
    Herzfeld, Tobias;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Klimawandel und Bodendegradation üben Druck auf die Nahrungsmittelproduktion sowie auf die Fähigkeit des Bodens zur Minderung des Klimawandels beizutragen aus. Bodendegradation hat negative Auswirkungen auf die Bodenqualität. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Effekte von landwirtschaftlich getriebener Bodendegradation, vor allem durch Pflügen und dem Umgang mit Ernterückständen. Es wird ein Überblick über das Thema Bodendegradation gegeben, gefolgt von Erweiterung des globalen Ökosystemmodells Lund-Potsdam-Jena-managed-Land (LPJmL) um eine detaillierte Prozessabbildung von Pflugpraktiken und Effekten von Ernterückständen. Diese ermöglicht die Analyse der Effekten von landwirtschaftlichen Managements auf die Anpassung und Minderung des Klimawandel. Das Modell kann die Effekte von naturerhaltender landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (im Englischen bekannt als Conservation Agriculture) auf Kohlenstoffvorräte im Boden und CO2 Emissionen simulieren. Im letzten Teil wird die historische Dynamik der Entwicklung von Bodenkohlenstoff (engl.: Soil Organic Carbon – SOC) und die Effekte von Annahmen zum zukünftigen Management unter unterschiedlichen Klimaszenarien gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die historische Umwandlung von natürlicher Vegetation zu landwirtschaftlicher Fläche bis zu 215 Pg SOC im Boden verloren gegangen sind. Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten weitere 38 Pg SOC zusätzlich verloren gehen, wird die heutige landwirtschaftliche Fläche nicht nachhaltig bewirtschaften. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug zeigt einen geringen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte des Bodens, während die Wahl der Behandlung von Ernterückständen erheblich Einfluss hat. Die Rückführung von Ernterückständen hat positive Einflüsse auf Bodenwassergehalt und Ernteproduktivität, mit regionalen Unterschieden. Insgesamt zeigen 46% der heute Landwirtschaftsfläche das Potenzial zur Steigerung des Bodenkohlenstoff, während mindestens 52% Kohlenstoff im Boden verlieren könnten. Climate change and increasing soil degradation put pressure on the global food production systems and the ability of land for climate change mitigation. Additionally, soil degradation has negative implications on soil quality. This thesis analyzes the effects of agricultural-driven global soil degradation, in particular tillage and residue management. At first, a review the state of knowledge on global soil degradation is provided. Soil organic carbon (SOC) decline is one of the major forms of soil degradation on cropland and a useful indicator of the status of soil degradation. Secondly, to study the effects of different pathways of agricultural management on biophysical and biogeochemical flows, the global ecosystem model Lund-Potsdam-Jena managed Land (LPJmL) is extended by a detailed representation of tillage practices and residue management. This improvement of LPJmL allows for the analysis of management-related effects on agricultural mitigation of climate change adaption and the reduction of environmental impacts. The model can simulate the effects of conservation practices on SOC stocks and CO2 emissions. And third, SOC development and the effects of different management assumptions under climate change is analyzed. This shows that approximately 215 Pg SOC was lost due to the historical conversion of natural land to cropland and up to 38 Pg SOC could be additionally lost on already existing cropland until the end of the century if cropland is not managed sustainably. The type of tillage system has small effects on the SOC stocks, while the choice of crop residue treatment is shown to be the main driver governing SOC development. Returning residues to the soil slows the decline of SOC, and positively affects soil moisture and crop productivity, with regional differences. In total, up to 46% of todays’ cropland shows the potential for SOC increase, while at least 52% of cropland today will undergo further SOC loss as a form of soil degradation.

  • Open Access English
    Authors: 
    Drebenstedt, Ireen;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Climate change poses a challenge for the production of crops in the twenty-first century due to alterations in environmental conditions. In Central Europe, temperature will be increased and precipitation pattern will be altered, thereby influencing soil moisture content, physiological plant processes and crop development in agricultural areas, with impacts on crop yield and the chemical composition of seeds. Warming and drought often occur simultaneously. The combination of multiple abiotic stresses can be synergistic, leading to additive negative effects on crop productivity. To date, little information is available from multi-factor experiments analyzing interactive effects of warming and reduced precipitation in an arable field. In addition, one major issue of studying climate change effects on crop development in the long-term is that weather conditions can vary strongly between years, e.g., with hot and dry summers in comparison to cool and wet ones, which directly affects soil moisture content and indirectly affects crop development. Thus, considering yearly weather conditions seems to be important for the analyses of climate change effects on aboveground biomass and harvestable yield of crops. The aim of the present work was to identify single and combined effects of soil warming (+2.5 °C), reduced summer precipitation amount (-25%), and precipitation frequency (-50%) on crop development, ecophysiology, aboveground biomass and yield as well as on yield quality of wheat, barley, and oilseed rape grown in the Hohenheim Climate Change (HoCC) field experiment. This thesis presents novel results from the HoCC experiment in the long-term perspective. Thus, aboveground biomass and yield data (2009-2018) of the three crops were analyzed with regard to their inter-annual variability, including annual fluctuations in weather conditions.This thesis consists of three publications. In the first and second publication a field experiment within the scope of the HoCC experiment was conducted with spring barley (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) and winter oilseed rape (Brassica napus L. cv. Mercedes) in 2016 and 2017. The objective was to investigate the impacts of soil warming, altered precipitation pattern and their interactions on biomass production and crop yield. In addition, it was examined, whether the simulated climate changes affecting barley photosynthesis and the seed quality compounds of oilseed rape. In the third publication, long-term plant productivity data of wheat, barley, and oilseed rape were evaluated, including aboveground biomass and yield data from the field experiment in 2018 with winter wheat (Triticum aestivum L. cv. Rebell). Der Klimawandel stellt aufgrund veränderter Umweltbedingungen eine Herausforderung für den Anbau von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen im 21. Jahrhundert dar. In Mitteleuropa steigt die Temperatur an und die Niederschlagsmuster verändern sich, wodurch die Bodenfeuchte, die physiologischen Pflanzenprozesse und die Pflanzenentwicklung in landwirtschaftlichen Gebieten beeinflusst werden. Dies wirkt sich auf den Ernteertrag und die chemische Zusammensetzung der Erträge aus. Häufig treten Erwärmung und Trockenheit gleichzeitig auf. Dabei kann sich das Vorkommen mehrerer abiotischer Stressoren synergistisch auswirken und zu additiv negativen Effekten auf die Pflanzenproduktivität führen. Bisher liegen nur wenige Informationen aus multifaktoriellen Experimenten vor, welche die Wechselwirkungen von Erwärmung und Trockenheit in einem landwirtschaftlichen Feld untersuchen. Darüber hinaus ist es wichtig die Auswirkungen des Klimawandels auf die Entwicklung von Nutzpflanzen in Langzeitstudien zu untersuchen, da die Wetterbedingungen zwischen den Jahren stark variieren können, z. B. mit heißen und trockenen Sommern im Vergleich zu kühlen und nassen, mit direkter Auswirkung auf die Bodenfeuchte und indirekter Wirkung auf die Entwicklung der Pflanzen. Demzufolge scheint eine Berücksichtigung der jährlichen Wetterbedingungen wichtig zu sein, wenn die Folgen des Klimawandels auf die oberirdische Biomasse und den Ernteertrag von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen abgeschätzt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es im Rahmen des Hohenheim Climate Change (HoCC) Feld-Experimentes die Folgen der drei Faktoren Bodenerwärmung (+2,5°C), reduzierter Sommer Niederschlagsmenge (-25 %) und Niederschlagshäufigkeit (-50 %) einzeln oder in Kombination auf die Parameter Pflanzenentwicklung, Ökophysiologie, oberirdische Biomasse, Ertrag und Ertragsqualität von Weizen, Gerste und Raps zu untersuchen. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse aus dem Langzeit - HoCC-Experiment präsentiert. Dazu wurden Daten von 2009-2018 zu oberirdischer Biomasse und Ertrag der drei Kulturen hinsichtlich ihrer zwischenjährlichen Variabilität analysiert und jährliche Schwankungen in den Witterungsbedingungen berücksichtigt. Die Dissertation besteht aus drei Publikationen. In der ersten und zweiten Veröffentlichung wurde im Rahmen des HoCC Experimentes in den Jahren 2016 und 2017 ein Feldversuch mit den Nutzpflanzen Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) und Winterraps (Brassica napus L. cv. Mercedes) durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen einer Bodenerwärmung, veränderten Niederschlagsmustern und deren Wechselwirkungen auf die Biomasseproduktion und den Ernteertrag zu untersuchen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich die simulierten Klimaänderungen auf die Photosynthese von Gerste sowie auf die Inhaltsstoffe von Rapssamen auswirken. In der dritten Veröffentlichung wurden Langzeit - Produktivitätsdaten von Weizen, Gerste, und Raps ausgewertet, darunter oberirdische Biomasse und Ertragsdaten aus dem HoCC Feldversuch von 2018 mit Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Rebell).

  • Open Access English
    Authors: 
    Guzman Bustamante, Ivan;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Agricultural activities are responsible for a substantial share of anthropogenic greenhouse gases. At the same time, agricultural production must feed a growing world population under a changing climate. In the case of wheat, the use of nitrogen (N) fertilizers is needed in order to insure grain yield and quality. Nevertheless, its use is associated with reactive N losses, which are detrimental for the environment and human health. Among the gaseous N species emitted after N fertilization we find nitrous oxide (N2O), a potent greenhouse gas, and ammonia (NH3) that after its deposition can be oxidized to N2O. Chemical compounds such as nitrification and urease inhibitors (NIs and UIs, respectively) are a useful tool, able to raise the fertilizer nitrogen use efficiency, by retarding the nitrification of ammonium based fertilizer in the case of NIs and by retarding the hydrolysis of urea in the case of UIs. A side benefit of the use of NIs is the reduction of N2O emissions. The use of UIs reduces the NH3 volatilization. One of the most used NIs in Europe is 3,4-dimethylpyrazol phosphate (DMPP) which can be applied with ammonium sulfate nitrate (ASN). The relatively new NI, 3,4-dimethylpyrazol succinic acid (DMPSA), acts similarly to DMPP but has a different time of action and can be applied to several fertilizers, unlike DMPP. N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) is an effective UI that provenly reduces NH3 volatilization by inhibiting the urease enzyme. In a two-year field experiment with winter wheat several fertilizer strategies were tested, including splitting strategies, use of NIs and reduction of N amount. Reducing N amount reduces the amount of soil mineral N, which is the substrate for N2O producing microbiological processes, nitrification and denitrification. Splitting of N fertilizer might reduce soil mineral N as well because N fertilizer applications are better suited to the physiological needs of the wheat plants. Applying NIs in splitting schemes may further mitigate emissions. The relationship between N amount and N2O losses in a wheat production system was investigated by applying lower and higher N amounts than the recommended N application rate. Use of DMPP was able to reduce N2O emissions in both years, not only on an annual basis (by 21 %: 3.1 vs 2.5 kg N2O-N ha-1 a-1 average for both years) but also during winter, when up to 18 % of total annual emissions occurred. A change of the soil microbial community due to DMPP could be the reason for the reduction of winter emissions 8 to 12 months after DMPP application. An economic assessment of N fertilizer amount showed that DMPP applied with suboptimal N fertilizer amounts can maintain yield and at the same time decrease yield scaled N2O emissions compared to an optimal N fertilizer rate without NI. Using CAN together with the NI DMPSA reduced N2O emissions only during the vegetation period. On an annual basis, DMPSA did not significantly reduce N2O emissions. Because DMPSA and DMPP were applied with different N fertilizers with different ammonium and nitrate shares, a direct comparison between these two NIs cannot be made. A traditional threefold split fertilization did not reduce annual emissions compared to a single application of ASN or CAN. Nevertheless, the use of DMPP in twofold split applications reduced annual emissions significantly by 33 % and increased protein content by 1.6 %. Because N2O flux peaks were not as high as expected after N fertilization during the first year, a short experiment investigating the effect of soil moisture, N and C application on N2O fluxes was conducted. A C limitation of the field was found, which explained high N2O emission events when C was available, e.g. after rewetting of dry soil and incorporation of straw after harvest. In this context we tested the removal of wheat straw – which should reduce the organic substrate supply for denitrifiers – as a possible mitigation strategy. Nevertheless, the removal of straw had no effect on N2O emissions. Furthermore, the effect of DMPP on microorganisms was studied in an incubation experiment: the copy number of bacterial amoA genes (nitrifiers) was lowered by the use of DMPP, while the number of archaeal amoA genes was increased by DMPP. Gene copy number of denitrifiers was unaffected by DMPP, nevertheless, soil respiration was reduced when DMPP was applied. It seems as DMPP has an inhibiting effect on heterotrophic organisms, nevertheless, the investigated variables did not support this hypothesis, so that further investigation is needed. The effect of NBPT and straw residues on NH3 and N2O emissions was studied in a two-week incubation experiment with a slightly alkaline soil. NBPT reduced NH3 volatilization and N2O fluxes from urea fertilization almost completely. Incorporation of straw residues significantly increased N2O emissions. In a further four-week incubation experiment, the effect of NBPT in two concentrations and DMPP was studied. A higher NBPT concentration as the recommended rate, reduced NH3 emissions by 53 %; DMPP on the other hand increased NH3 volatilization by 70 %. Regarding N2O, DMPP reduced emissions to the same level as the unfertilized control; NBPT only shifted the emission peak so that by the end of the experiment no difference in the cumulative N2O emission was found between urea and NBPT treatments. These results show that UI can lead to a reduction of N2O emissions, but the ammonium formed by the urea hydrolysis should be used by crops, otherwise it serves as a substrate for N2O production in soils. In the final incubation experiment, the combined application of a NI (DMPSA) and a UI (NBPT) was studied. Lower concentrations than the recommended doses were applied in order to assess synergistic effects. The combined application of DMPSA and NBPT did not lead to synergistic effects in the analyzed variables (soil urea amount, soil mineral N, ammonia volatilization, soil respiration and N2O emission). The higher the NBPT concentration, the slower urea was hydrolyzed and the higher the reduction in NH3 volatilization. A third of DMPSA application rate was enough to reduce N2O emissions; however, the use of NI increased NH3 losses. Our results highlight the importance of annual datasets when assessing mitigation strategies for N2O. For wheat production, a reduction of the N fertilizer amount when a NI is used should be taken into consideration. When elite wheat cultivars are grown split application with NI fertilizers could ensure high protein content and simultaneously reduce N2O emission. Urea fertilizer should be applied with NI and UI so that NH3 volatilization and N2O emission is reduced. Nevertheless, long-term effects of these compounds on soil microbiology must be monitored to avoid unseen ecotoxicological effects. Since some of these compounds or their metabolites might be absorbed by plants and end up in food and feed more research is needed to protect consumers. Landwirtschaftliche Aktivitäten sind für einen erheblichen Teil der anthropogenen Treibhausgase verantwortlich. Gleichzeitig muss die landwirtschaftliche Produktion eine wachsende Weltbevölkerung in einem sich verändernden Klima ernähren. Bei Weizen ist der Einsatz von Stickstoffdünger (N) erforderlich, um den Ertrag und die Qualität des Getreides zu sichern. Der Einsatz von Stickstoffdüngern ist jedoch mit reaktiven N-Verlusten verbunden, die sich nachteilig auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken. Zu den gasförmigen N-Spezies, die nach der N-Düngung freigesetzt werden, gehören Distickstoffmonooxid (N2O), ein starkes Treibhausgas, und Ammoniak (NH3), das nach seiner Deposition zu N2O oxidiert werden kann. Chemische Substanzen wie Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren (NI bzw. UI) sind ein wirksames Mittel, um die N-Nutzungseffizienz von Düngemitteln zu erhöhen, indem sie die Nitrifikation von Ammonium-basierten Düngemitteln - im Fall von NI - und die Harnstoffhydrolyse - im Fall von UI - verzögern. Ein positiver Nebeneffekt der Anwendung von NI ist die Minderung der N2O-Emissionen. Durch den Einsatz von UI wird die NH3-Volatilisierung reduziert. Einer der in Europa am häufigsten verwendeten NI ist 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP), das zusammen mit Ammonsulfatsalpeter (ASS) eingesetzt werden kann. Der relativ neue NI, 3,4-Dimethylpyrazolbernsteinsäure (DMPSA), wirkt ähnlich wie DMPP, hat aber einen späteren Wirkzeitpunkt und kann im Gegensatz zu DMPP mit mehreren Düngemitteln angewendet werden. N-(n-Butyl)-thiophosphorsäuretriamid (NBPT) ist ein wirksamer UI, der nachweislich die NH3-Volatilisierung durch Hemmung des Enzyms Urease reduziert. In einem zweijährigen Feldversuch mit Winterweizen wurden verschiedene Düngestrategien getestet, darunter Splitting-Strategien, die Verwendung von NI und die Reduzierung der N-Menge. Die Verringerung der N-Menge reduziert die mineralischen N-Gehalte in Böden, die das Substrat für die mikrobiellen N2O-Quellprozesse Nitrifikation und Denitrifikation darstellen. N-Splitting kann die mineralischen N-Gehalte in Böden ebenfalls verringern, da die N-Düngung besser auf die physiologischen Bedürfnisse der Weizenpflanzen abgestimmt ist. Die Anwendung von NI-Düngern im Rahmen von Splitting-Strategien kann die Emissionen weiter verringern. Der Zusammenhang zwischen der N-Menge und den N2O-Verlusten in einem Weizenanbausystem wurde untersucht, indem niedrigere und höhere N-Mengen als die empfohlene N-Menge ausgebracht wurden. Der Einsatz von DMPP konnte die N2O-Emissionen in beiden Jahren nicht nur auf Jahresbasis reduzieren (um 21 %: 3,1 gegenüber 2,5 kg N2O-N ha-1 a-1 im Durchschnitt beider Jahre), sondern auch im Winter, in dem bis zu 18 % der gesamten Jahresemissionen auftraten. Eine Veränderung der mikrobiellen Bodengemeinschaft durch DMPP könnte der Grund für den Rückgang der N2O-Emissionen 8 bis 12 Monate nach DMPP-Anwendung sein. Eine wirtschaftliche Bewertung der N Düngermenge zeigte, dass DMPP mit suboptimalen N-Düngermengen ausgebracht, im Vergleich mit einer optimalen N-Düngung ohne NI den Ertrag aufrechterhalten und gleichzeitig die ertragsbezogenen N2O-Emissionen verringern kann. Der Einsatz von Kalkammonsalpeter (KAS) zusammen mit dem NI DMPSA reduzierte die N2O-Emissionen nur während der Vegetationsperiode. Auf Jahresbasis reduzierte DMPSA die N2O-Emissionen nicht signifikant. Da DMPSA und DMPP mit unterschiedlichen N-Düngemitteln ausgebracht wurden, die unterschiedlichen Ammonium- und Nitratanteilen aufwiesen, ist ein direkter Vergleich zwischen diesen beiden NIs nicht möglich. Eine herkömmliche dreifach gesplittete Applikation verringerte die jährlichen Emissionen im Vergleich zu einer einmaligen Anwendung von ASS oder KAS nicht. Die Verwendung von DMPP in einer zweifachen Splitapplikation reduzierte die jährlichen Emissionen jedoch deutlich um 33 % und erhöhte den Proteingehalt des Weizenkorns um 1,6 %. Da die Höchstwerte der N2O-Flüsse nach der N-Düngung im ersten Jahr vergleichsweise gering waren, wurde ein Kurzexperiment durchgeführt, in dem die Auswirkungen von Bodenfeuchte, N- und C-Verfügbarkeit auf die N2O-Flüsse untersucht wurden. Es wurde eine C-Limitierung des Bodens festgestellt, was die hohe N2O-Emissionen erklärte, wenn C mikrobiell verfügbar war, z. B. nach Wiederbefeuchtung von trockenem Boden und nach Einarbeitung von Stroh nach der Ernte. In diesem Zusammenhang wurde die Abfuhr von Weizenstroh – das das organische Substratangebot für Denitrifikanten reduzieren sollte – als eine mögliche Minderungsstrategie getestet, sie hatte jedoch keine Auswirkungen auf die N2O-Emissionen. Darüber hinaus wurde die Wirkung von DMPP auf die mikrobielle Gemeinschaft in einem Inkubationsversuch untersucht: Die Kopienzahl der bakteriellen amoA-Gene (Nitrifikanten) wurde durch den Einsatz von DMPP verringert, während die Zahl der amoA-Gene von Archaeen durch DMPP erhöht wurde. Die Anzahl der Genkopien von Denitrifikanten wurde durch DMPP nicht beeinflusst, jedoch wurde die Bodenatmung durch DMPP verringert. Es ist anzunehmen, dass DMPP eine hemmende Wirkung auf heterotrophe Organismen hat, jedoch haben die untersuchten Variablen diese Hypothese nicht bestätigt, so dass weitere Untersuchungen erforderlich sind. Die Wirkung von NBPT und Strohresten auf die Emission von NH3 und N2O wurde in einem zweiwöchigen Inkubationsexperiment mit einem Boden mit leicht alkalischen pH-Wert untersucht. NBPT reduzierte die NH3-Volatilisierung und N2O-Flüsse aus der Harnstoffdüngung fast vollständig. Die Einarbeitung von Strohrückständen erhöhte die N2O-Emissionen erheblich. In einem weiteren vierwöchigen Inkubationsversuch wurde die Wirkung von zwei unterschiedlichen NBPT-Konzentrationen sowie von DMPP untersucht. Eine höhere NBPT-Konzentration als die empfohlene Rate reduzierte die NH3-Emissionen um 53 %; DMPP hingegen erhöhte die NH3-Volatilisierung um 70 %. In Bezug auf N2O reduzierte DMPP die Emissionen auf das gleiche Niveau wie in der ungedüngten Kontrolle; NBPT verschob lediglich die Emissionsspitze, so dass am Ende des Versuchs kein Unterschied in der kumulativen N2O-Emission zwischen den Behandlungen mit Harnstoff und NBPT festgestellt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass UI zu einer Verringerung der N2O-Emissionen führen kann, aber das nach Harnstoffhydrolyse gebildete Ammonium von Kulturpflanzen genutzt werden muss, da es sonst als Substrat für die N2O-Bildung in Böden genutzt wird. Im letzten Inkubationsversuch wurde die kombinierte Anwendung eines NI (DMPSA) und eines UI (NBPT) untersucht. Es wurden niedrigere Konzentrationen als die empfohlenen Dosen verwendet, um synergistische Effekte zu evaluieren. Die kombinierte Anwendung von DMPSA und NBPT führte nicht zu synergistischen Effekten (Harnstoffmenge und mineralischer Stickstoff im Boden, NH3-Volatilisierung, Bodenatmung und N2O-Emission). Je höher die NBPT-Konzentration, desto langsamer wurde der Harnstoff hydrolysiert und desto stärker wurde die NH3-Volatilisierung reduziert. Ein Drittel der empfohlenen DMPSA-Aufwandsmenge reichte aus, um die N2O-Emissionen zu verringern; die Verwendung von NI erhöhte jedoch die NH3-Verluste. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung ganzjähriger Datensätze bei der Bewertung von Minderungsstrategien für N2O. Beim Weizenanbau sollte eine Verringerung der N-Düngermenge beim Einsatz von NI in Betracht gezogen werden. Beim Anbau von Elite-Weizensorten kann eine gesplittete N-Gabe mit NI einen hohen Proteingehalt bei gleichzeitiger Minderung der N2O-Emission gewährleisten. Harnstoffdünger sollte mit NI und UI ausgebracht werden, so dass die NH3-Volatilisierung und die N2O-Emission verringert werden. Dennoch müssen die langfristigen Auswirkungen dieser Verbindungen auf die mikrobielle Gesellschaft von Böden untersucht werden, um unvorhergesehene ökotoxikologische Auswirkungen zu vermeiden. Da einige dieser Verbindungen oder ihre Metaboliten von Pflanzen aufgenommen werden und in Lebens- und Futtermittel gelangen könnten, ist weitere Forschung zum Schutz der Verbraucher erforderlich.

  • Publication . Doctoral thesis . 2023
    English
    Authors: 
    Neunteufel, Daniel;
    Publisher: TU Wien

    Lokalisierung in geschlossenen Räumen hat über die letzten Jahre große Bedeutung gewonnen. Während GNSS Lösungen für Anwendungen im Freien gut geeignet sind, ist ihr Nutzen für präzise Lokalisierung in Innenräumen beschränkt, da in der Regel die Sichtverbindung zu den Satelliten fehlt. Trotz jahrelanger Forschungsarbeit hat sich bis heute für solche Szenarien keine vergleichbare einzelne dominante Methode etabliert. Es existieren vielmehr eine Vielzahl von unterschiedlichen Herangehensweisen, sowohl in Hinblick auf Hardware, als auch in Fragen der Algorithmik, alle mit individuellen Vor- und Nachteilen behaftet. Die Lösungen sind dabei oft für die konkreten Anwendungen maßgeschneidert. So unterscheidet sich zum Beispiel das Verfolgen der Position eines einzelnen beweglichen Zieles fundamental von Anwendungen in der Lagerhaltung, wo eine Vielzahl sporadisch bewegter Knoten im Ganzen beobachtet werden soll. Letzteres steht im Fokus dieser Arbeit. Die Motivation dafür erwächst sich aus der Tatsache, dass über die letzten Jahre Milliarden solcher Knoten im Kontext des wachsenden internet of things (IoT) installiert wurden, meist ohne Funktionalität zur Lokalisierung. Wenn sich nun neue Anwendungsfelder für die bereits existierender Knoten ergeben, die ursprünglich nicht vorgesehen waren, ist die Wiederverwendung der langlebigen Hardware aus ökonomischen Gründen wünschenswert. Konkrete Möglichkeiten dafür auszuloten, ist Ziel dieser Arbeit. Zentrale Herangehensweise ist die Verwendung von Radiowellen im industrial, scientific, and medical (ISM) Band bei 2,4 GHz, da viele existierende Systeme in diesem lizenzfreien Frequenzbereich kommunizieren. Schwund aufgrund von Mehrwegeausbreitung und Interferenz sind die charakteristischen Eigenschaften in Innenraumszenarien. Die beschränkte Signalbandbreite der typischerweise eingesetzten Sende- und Empfangshardware machen Messungen der Signallaufzeit (ToF) zu einer großen Herausforderung. Es wird daher eine neuartige Methode vorgestellt, die eine drastische Erhöhung der Sendebandbreite weitverbreiteter Funkchips erlaubt. Sie basiert auf der Generierung eines Chirp-Signals durch direkte Manipulation des eingesetzten Synthesizers. Die Signalmodulation und die sich ergebende benötigte digitale Signalverarbeitung werden näher ausgeführt. Im Gegensatz zur Sendebandbreite, kann die Empfangsbandbreite nicht im selben Maße erhöht werden. Daher ist eine geeignete Empfängerinfrastruktur mit ausreichender Signalabtastrate notwendig, um eine Lokalisierung der ausschließlich sendenden Knoten zu erlauben. Da die Zeitsynchronisierung von Sender und Empfängern zum Zwecke von Laufzeitmessungen unmöglich ist, müssen die Empfänger synchronisiert werden, um auf differentielle Laufzeitmessungen (TDoA) zurückgreifen zu können. Dafür wird ein geeignetes Systemmodel ausgearbeitet, das Synchronisierungsungenauigkeiten berücksichtigt. Mit diesem Model und den davon abgeleiteten unteren Schranken der möglichen Schätzgenauigkeit werden die Anforderungen an eine Empfängerinfrastruktur abgeschätzt. Im Zuge einer Messkampagne wurden die hier vorgeschlagenen Ansätze unter realen Bedingungen mithilfe von Software-Defined Radios (SDR) getestet. Mit einer Kombination von differentiellen Laufzeit-, Einfallswinkel- und Signalstärkemessungen kann ein mittlerer quadratischer Fehler von 2,19 m erreicht werden. Dies zeigt, dass sogar mit der Beschränkung auf Hardware mit stark limitierten Möglichkeiten zur Lokalisierung gute Resultate erzielt werden können. Indoor localization has become an important topic in recent years. While for outdoor use, highly developed global navigation satellite systems (GNSS) are the omnipresent method for localization, their application in indoor scenarios is limited, due to obstructed line-of-sight (LoS) links to the satellites. Despite many years of vigorous research, no comparable single dominant method has been established for indoor use cases. Rather, there exist a multitude of different approaches, from both hardware and algorithmic perspective, all having individual advantages and disadvantages. Suitable solutions often strongly depend on the concrete application. For example, tracking of a single moving user is different from location awareness of large ensembles of internet of things (IoT) nodes. The latter is of particular research interest, as over the years vast numbers of such nodes were deployed for numerous applications, initially without capabilities for localization. Over time, new use cases might arise for such nodes which have not been foreseen upon deployment. The reuse of existing IoT hardware is desirable in such cases, as changes to large numbers of nodes are costly. Possibilities to enable localization under these circumstances are studied in this thesis. The focus lies on the use of radio waves in the industrial, scientific, and medical (ISM) radio band at 2.4 GHz, as many existing systems make use of this unlicensed frequency band. Multipath fading and interference is characteristic for the typical indoor channel. To overcome the drawbacks of the limited signal bandwidth of widely used hardware in scenarios prone to such multipath effects, a novel method is suggested which allows extending the available transmit signal bandwidth. With this method, meaningful time of flight (ToF) measurements become feasible. It relies on direct manipulation of the synthesizer of a transceiver chip, allowing for chirped signal modulation. This signal modulation and the required processing arising from the proposed non-standardized approach is elaborated. Unlike the transmission bandwidth, the receiver bandwidth of the transceiver chips cannot be increased similarly. Thus, a dedicated receiver infrastructure with a sufficient sampling rate is required to facilitate the localization of transmit-only nodes. As synchronization of nodes and infrastructure is assumed impossible, time difference of arrival (TDoA) calculations for synchronized receiving anchors at known locations are studied. For such an implementation with synchronized receivers, a suitable system model is introduced, taking into account a possibly non-ideal synchronization. Using the system model and thereof derived estimation bounds, the requirements on such an infrastructure are assessed. During a measurement campaign, the proposed method has been tested under real-world conditions, using a software-defined radio (SDR) platform. A combination of TDoA with angle of arrival (AoA) and received signal strength (RSS) measurements allows achieving a root-mean-square error (RMSE) of 2.19. This proves that good localization results are achievable even with limited hardware capabilities.

  • Open Access English
    Authors: 
    Singh, Chandrakant;
    Publisher: Stockholms universitet, Stockholm Resilience Centre
    Country: Sweden

    Tropical rainforests in the Amazon and Congo River basins and their climate are mutually dependent. Evaporation from these forests help regulate the regional and global water cycle. Furthermore, these rainforests themselves depend on precipitation to sustain their structure and functions. However, the rapid increase in human activities (such as burning fossil fuels and deforestation) has significantly changed the rainforests’ climate. Due to the effect of human-induced perturbations on moisture feedbacks (i.e., precipitation and evaporation patterns), these rainforests risk tipping to a savanna or treeless state. Understanding how these forests respond to climate change will aid in assessing their resilience to water-induced perturbations as well as in anticipating and preparing for potential tipping risks in the future. However, our understanding of how vegetation responds to climate change is fragmented, which limits our capacity to predict these risks. Previous studies have primarily relied on precipitation data to understand these forest-to-savanna transitions. However, ecosystem transition risks are also associated with water-stress, which depends on the vegetation’s capacity to adapt to drier conditions by storing water in its root zone. This thesis investigates the effect of hydroclimatic changes on root zone adaptation and its implications for forest resilience. Paper I uses remote sensing data to analyse water-stress and drought coping strategies across the rainforest-savanna transects. Paper II uses the root zone storage capacity to quantify the resilience of forest ecosystems. Using the empirical understanding of root zone forest dynamics and hydroclimatic estimates from Earth System Models, Paper III projects future forest transitions and estimates tipping risks by the end of the 21st century under four different shared socio-economic pathways. Paper IV uses atmospheric moisture tracking data to investigate the leverage landholders in South America have over precipitation and the resilience of forest ecosystems. Papers I and II reveal the non-linear relationship between the ecosystem’s above-ground structure and root zone storage capacity. These studies indicate that, under hydroclimatic changes, the ecosystem’s root zone storage capacity is much more dynamic than its above-ground forest structure and is more representative of the ecosystem’s transient state than precipitation. Ignoring this root zone adaptive capacity can underestimate forest resilience, primarily observed in the Congo rainforest. Paper III projects that the risk of forest-savanna transition will increase with climate change severity, most prominently observed in the Amazon rainforest. Paper IV finds that all landholders have equal leverage over the moisture precipitating locally and over farther-downwind land systems. According to this study, smallholders have a disproportionately larger influence over forest rainfall. However, large landholders have a larger influence on forest resilience as well as over the moisture precipitating on croplands and pastures. These results warrant the need for policies to factor in the impact of deforestation on downwind actors and promote effective ecosystem stewardship. The insights from this thesis highlight the importance of understanding and assessing ecosystem dynamics under a rapidly changing climate for strengthening management and conservation efforts across the globe. Earth Resilience in the Anthropocene (ERA; ERC-2016-ADG 743080)

  • Open Access English
    Authors: 
    Junttila, Sofia;
    Publisher: Lund University (Media-Tryck)
    Country: Sweden

    Boreal forests and peatlands store over 30% of the global terrestrial carbon in their vegetation and soil. but changing climate can compromise the current carbon stock. Rising air temperatures, changing precipitation patterns and increased risk of natural disturbances can impact the ability of the boreal ecosystems to absorb and store carbon, reducing their effectiveness as carbon sinks. Reliable estimates of carbon fluxes between these ecosystems and the atmosphere are crucial for understanding the ecosystem response to climate change. This thesis focuses on developing remote sensing-based modelsof the vegetation carbon uptake i.e. gross primary production (GPP) in Nordic forests and peatlands, and upscaling the estimates from sites to landscape and regional levels.The results demonstrate that spectral vegetation indices EVI2 and PPI can capture the seasonal dynamics of GPP well. In general, other environmental variables that further helped to improve the results were air temperature, photosynthetically active radiation (PAR), and vapour pressure deficit(VPD) that expresses atmospheric demand for water. Another finding was that the spatial resolution of the satellite instrument had less influence on the accuracy of GPP estimates than the model formulation and selection of the input data. The result suggested that vegetation productivity can be monitored at various scales with high accuracy using satellite remote sensing data. Fine-scaleestimates are beneficial when monitoring individual forest stands or spatially heterogeneous ecosystems like peatlands.Various model formulations were tested to estimate GPP with remotely sensed data. The site-specific calibration gave more accurate results, but the single parameter set per ecosystem type was more applicable for upscaling GPP for a larger area. In addition, we found that PPI performed well andprovided a useful tool for estimating GPP at local and regional scales. Despite the good agreement with the eddy covariance-derived GPP, the models could be further improved to capture the spatial heterogeneity between the sites by adding e.g. soil moisture data. Finally, we applied a PPI-based model to estimate annual GPP in Sweden’s forests and peatlands with a 10-meters spatial resolution. This thesis highlights that satellite remote sensing has a great potential for monitoring variations changes in vegetation carbon uptake in Nordic forest and peatland ecosystems.

  • Open Access English
    Authors: 
    Khan, Asad Ullah;
    Publisher: The University of Edinburgh
    Country: United Kingdom

    The planet is heating up. Rapid-paced human change in the earth systems is increasing frequencies of catastrophic events, ranging from tropical cyclones to ecological collapse, oceanic increase to coastal floods, unprecedented wildfires to lethal droughts. In a ‘compound state’, as recent scientific reports suggest, climate change might render the planet uninhabitable. In regions exposed to the increased impacts of compound climate-related events, risks concerning human existence or the so-called ‘existential risks’ run high. ‘Existential risk’ is the possible chance of human extinction. Extinction means the irreversible termination of a species class and its genetic heritage. It is also known as an ‘existential catastrophe’. ‘Existential risk studies research’ is a ‘scientific discipline’. It estimates probabilities of human extinction using statistical and rational analysis of incoming evidence. In the climate context, the present literature analyses independent risks rather than geographic hotspots where multiple risks overlap and create novel catastrophic bifurcations across spatial and temporal scales. ‘Ex-risk Architecture’ integrates practices of computational architecture, remote-sensing earth science and design informatics into an expanded interface and an open-ended research process of information synthesis, form-making and design speculation––in order to anticipate global catastrophic risks of climate change in forensic-grade architectural images. I foreground architecture as an augmented form of risk perception in order to anticipate spaces of extinction rupturing from extreme climate change. Though oft-used to eliminate risks, I enact ‘anticipation’ through design to perceptualise risks in a spatiotemporal form and galvanise preparedness as catastrophic anthropogenic change accrues. I develop research through practice, using design to manufacture possible spatiotemporal experiences of catastrophic scenarios in order to shape global social imaginaries on climate change. I use architecture representation as a perceptual interface to compress geo-environmental information, indexing material legacies of human change in perceptual artefacts. I construct extreme spatiotemporal projections of the known impact of human change at smaller scales in computational models. I use site-specific empirical evidence from the planet’s most exposed regions to climate change in the design process, ranging from glacier melting (Warren Cave) and environmental pollution (New Orleans) to atmospheric depletion (Mauna Kea). I develop algorithms through advanced programming languages to synthesise remote sensed geospatial datasets––revealing spatial and temporal accounts of the existential catastrophe at multiple scales in a broad range of architectural diagrams and digital animations. The outcomes form a design portfolio, prised apart into three-site specific projects. 1. Warren Cave (2018-2019) 2. New Orleans (2018-2019) 3. Mauna Kea (2019-2021) The work appraises climate change through architecture as an existential risk par excellence. The dissertation contributes to an advanced computational design workflow––integrating planet- scale contingencies into architectural concerns. It appraises architecture as a methodological parallel to existential risk research through original design investigation.

  • English
    Authors: 
    Nwachukwu, Pius Nmamdi;
    Publisher: HAL CCSD
    Country: France

    Climate variability causes the hydroological system to be dynamic on a range of time scales. Putting strain on the system in the past through flood and drought situations. The effects of current climate variability may be exacerbated by anthropogenic global warming. The first attempt was to validate 16 satellite-based precipitation products (SPPs) comprising satellite, gauge and reanalysis datasets. The datasets were validated with the precipitation data from 11-gauge reference stations across Nigeria from 2000–2012. This became important after it was discovered that accurate and timely precipitation data for the study area was lacking. The Kling–Gupta efficiency (KGE) was used to test the product for correlation, bias and variability. The results revealed that the substantial SPP reliability varies spatially and temporally. It was discovered that all the SPPs performed better over part of central Nigeria during the dry season. When the real-time and adjusted satellite-based products were compared, the results showed that the adjusted products had a better KGE score. The Assessment also showed that the reliability of integrated multi-satellite retrievals for Global Precipitation Mission (IMERG) products was consistent with that of their predecessor Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) multi-satellite precipitation analysis (TMPA). Finally, the best overall scores were obtained from multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 and IMERG-F v.6. Both products are therefore suggested for further hydrological studies.Secondly, the Standard Precipitation Index (SPI) and the Standard Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI) were used to evaluate the drought situation across Nigeria between 1981-2019 to determine the strength and pattern of drought in the study area. SPI evaluates drought based solely on precipitation. SPEI, in contrast to SPI, considers both temperature and precipitation, partially accounting for the effects of global warming and climate change. The Assessment of the level of agreement between SPI and SPEI at various timescales, i.e. (3,6 and 12 months), revealed a high correlation of r=0.94. The Assessment revealed that there were intense drought episodes between 1982 to 1984. Several drought types were present across the study area and in all the timescales. The highest intensity was determined to have occurred in 1983. However, the last extreme drought event was determined in 2016. As a result, it was determined that the frequency of severe and extreme drought has recently reduced. However, the frequency of moderate droughts persists, especially at the 3-months timescales. According to the results of this study, there is generally a satisfactory agreement between SPI and SPEI ratings in the study area. Thirdly, the climatic influence on evapotranspiration (ET), a critical climate indicator in studying climate change due to its contribution to the hydrologic cycle and the energy balance, was assessed. The Assessment was to reveal the influence of climatic variables such as temperature, precipitation, solar radiation, and wind against evapotranspiration changes to determine their impacts on ET across Nigeria using the Mann–Kendall (MK) trend test estimator for trend detection. The MK results showed that solar radiation and temperature had more influence on the ET of the study area in terms of their correlation and magnitude.In conclusion, natural climate change is more prevalent despite anthropogenic activities’ large expanse of land use change. Solar radiation and temperature are the prominent factors exacerbating evapotranspiration in the study area. Additionally, the study area’s limited precipitation duration experience in the Sahel and Sudan Savannah ecological region aggravates hydroecological degradation.; La variabilité du climat a un effet sur le système hydrologique sur différentes échelles de temps. Il a été mis à rude épreuve dans le passé par des situations d'inondation et de sécheresse. La première tentative a été de valider 16 produits de précipitation par satellite (SPP) comprenant des données satellitaires, des jauges et des données de réanalyse. Les ensembles de données ont été validés avec les données de précipitation de 11 stations de référence à travers le Nigeria de 2000 à 2012. Ceci est devenu important après qu'il ait été découvert que les données de précipitation précises et opportunes pour la zone d'étude faisaient défaut. L'efficacité de Kling-Gupta (KGE) a été utilisée pour tester la corrélation, le biais et la variabilité du produit. Les résultats ont révélé que la fiabilité substantielle du SPP varie dans l'espace et dans le temps. Il a été découvert que tous les SPP sont plus performants sur une partie du centre du Nigeria pendant la saison sèche. Lorsque les produits satellitaires en temps réel et ajustés ont été comparés, les résultats ont montré que les produits ajustés avaient un meilleur score KGE. L'évaluation a également montré que la fiabilité des récupérations multi-satellites intégrées pour les produits IMERG (Global Precipitation Mission) était cohérente avec celle de leur prédécesseur TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), l'analyse multi-satellites des précipitations (TMPA). Enfin, les meilleurs résultats globaux ont été obtenus avec les produits multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 et IMERG-F v.6.Deuxièmement, l'Indice Standard de Précipitation (SPI) et l'Indice Standard de Précipitation et d'Evapotranspiration (SPEI) ont été utilisés pour évaluer la situation de sécheresse à travers le Nigeria entre 1981-2019 afin de déterminer la force et le modèle de sécheresse dans la zone d'étude. L'indice SPI évalue la sécheresse en se basant uniquement sur les précipitations. Le SPEI, contrairement au SPI, prend en compte à la fois la température et les précipitations, rendant partiellement compte des effets du réchauffement global et du changement climatique. L'évaluation du niveau de concordance entre SPI et SPEI à différentes échelles de temps, c'est-à-dire (3,6 et 12 mois), a révélé une corrélation élevée de r=0.94. L'évaluation a révélé qu'il y a eu des épisodes de sécheresse intense entre 1982 et 1984. Plusieurs types de sécheresse étaient présents à travers la zone d'étude et dans toutes les échelles de temps. L'intensité la plus élevée a été déterminée comme ayant eu lieu en 1983. Cependant, le dernier épisode de sécheresse extrême a été déterminé en 2016. Par conséquent, il a été déterminé que la fréquence des sécheresses sévères et extrêmes a récemment diminué. Cependant, la fréquence des sécheresses modérées persiste, surtout aux échelles de temps de 3 mois. Selon les résultats de cette étude, il existe généralement une concordance satisfaisante entre les cotes SPI et SPEI dans la zone d'étude. Troisièmement, l'influence climatique sur l'évapotranspiration (ET), un indicateur climatique critique dans l'étude du changement climatique en raison de sa contribution au cycle hydrologique et au bilan énergétique, a été évaluée. L'évaluation visait à révéler l'influence des variables climatiques telles que la température, les précipitations, le rayonnement solaire et le vent sur les changements de l'évapotranspiration afin de déterminer leurs impacts sur l'ET à travers le Nigeria en utilisant l'estimateur du test de tendance de Mann-Kendall (MK) pour la détection des tendances. Les résultats de MK ont montré que le rayonnement solaire et la température avaient plus d'influence sur l'ET de la zone d'étude en termes de corrélation et de magnitude.En conclusion, le changement climatique naturel est plus prévalent malgré la grande étendue des activités anthropiques de changement d'utilisation des terres.

  • Open Access English
    Authors: 
    Laudien, Rahel;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Die Anzahl der unterernährten Menschen in der Welt steigt seit 2017 wieder an. Der Klimawandel wird den Druck auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit weiter erhöhen, insbesondere für kleinbäuerliche und von Subsistenzwirtschaft geprägte Agrarsysteme in den Tropen. Um die Widerstandsfähigkeit der Ernährungssysteme und die Ernährungssicherheit zu stärken, bedarf es eines Klimarisikomanagements und Klimaanpassung. Dies kann sowohl die Antizipation als auch die Reaktion auf die Auswirkungen der globalen Erwärmung ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen in dieser Hinsicht landwirtschaftliche Modelle. Sie können die Reaktionen von Pflanzen auf Veränderungen in den Klimabedingungen quantifizieren und damit Risiken identifizieren. Diese Dissertation demonstriert anhand dreier in Peru, in Tansania und in Burkina Faso durchgeführten Fallstudien, wie statistische Ertragsmodelle das Klimarisikomanagement und die Anpassung in der tropischen Landwirtschaft unterstützen können. Während die erste Studie zeigt, wie Klimaanpassungsbestrebungen unterstützt werden können, werden in Studie zwei und drei statistische Modelle genutzt, um Ertrags- und Produktionsvorhersagen zu erstellen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, Frühwarnsysteme für Ernährungsunsicherheit zu unterstützen. In den drei Veröffentlichungen werden neue Ansätze statistischer Ertragsmodellierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung von bisherigen Ertragsvorhersagen, insbesondere in Bezug auf unabhängige Modellvalidierungen, eine stärkere Berücksichtigung von Wetterextremen und die Übertragbarkeit der Modelle auf andere Regionen. The number of undernourished people in the world has been increasing since 2017. Climate change will further exacerbate pressure on agriculture and food security, particularly for smallholder and subsistence-based farming systems in the tropics. Anticipating and responding to global warming through climate risk management is needed to increase the resilience of food systems and food security. Crop models play an indispensable role in this regard. They allow quantifying crop responses to changes in climatic conditions and thus identify risks. This dissertation demonstrates how statistical crop modelling can inform climate risk management and adaptation in tropical agriculture in the case studies of Peru, Tanzania and Burkina Faso. While the first study shows how statistical crop models can support climate adaptation, studies two and three provide yield and production forecasts. The results can contribute to supporting early warning systems on food insecurity. The three publications present novel approaches of statistical yield modelling at different spatial scales. A particular focus is on further developing existing yield forecasts, especially with regard to independent rigorous model validations, improved consideration of weather extremes, and the transferability of the models to other regions.

  • Open Access Slovenian
    Authors: 
    Curk, Miha;
    Country: Slovenia

    V nalogi je bil razvit sistem za podporo odločanju o izvajanju kmetijskih ukrepov za varovanje podzemne vode pred onesnaženjem z nitrati. Sistem sestavljajo 3 faze: analiza obstoječega stanja, vrednotenje učinkovitosti ukrepov ter optimizacija in umeščanje ukrepov. Preučevali smo vpliv različnih virov vhodnih (izmerjeni oz. izračunani podatki o fizikalnih lastnostih tal) in umeritvenih podatkov (pretoki rek, količina vode v tleh, kombinacija obojega) na delovanje 12 različic modela SWAT. Ugotovili smo, da vsi načini umerjanja modela niso primerni za vse situacije. Zgolj v nekaterih primerih je prišlo do razlik v modelnih rezultatih. Zaključujemo, da razlike med rezultati niso tako velike, da bi jasno pokazale na najboljšo možnost, zato je za umerjanje bolj smiselno uporabiti podatke, ki so lažje dostopni oz. na drug način primernejši v dani situaciji. Predlagani sistem za podporo odločanju smo preizkusili na ranljivih območjih Dravske in Krške kotline. Za vsako območje smo ovrednotili okoljski (izpiranje nitrata) in ekonomski (pokritje) učinek različnih kmetijskih praks prvega z uporabo modela SWAT in drugega z izračunom pokritij. S simulacijo pričakovanih kmetijskih praks (obstoječe stanje) smo na vsakem območju ugotovili, kateri deli so bolj ranljivi in bi bilo zato na njih bolj smiselno zaostriti ukrepe za omilitev izpiranja nitrata. S primerjavo učinkov širšega nabora alternativnih kmetijskih praks smo ugotovili, katere so za posamezne talne tipe na območju najbolj primerne (tako okoljsko kot ekonomsko). Izkazalo se je, da univerzalno učinkovite prakse ne obstajajo: nekatere so bolj učinkovite v enih, druge v drugih primerih. Na podlagi informacije o učinkovitosti ukrepov smo v zadnji fazi kmetijske prakse razporedili na območje po treh kriterijih optimizacije: okoljske, ekonomske in kombinirane. Ugotovili smo, da so vse tri, celo ekonomska, izboljšale stanje z izpiranjem nitrata na celotnem območju, zato zaključujemo, da bi lahko z uporabo predlaganega sistema in umeščanjem ukrepov na podlagi njihove okoljske in ekonomske učinkovitosti na območju hkrati zmanjšali izpiranje nitrata s kmetijskih površin in povečali ekonomičnost kmetijske pridelave. This thesis developed a decision support system for implementation of agricultural measures for groundwater protection against pollution by nitrates. The system consists of 3 phases: analysis of the existing situation, evaluation of the effectiveness of measures, and optimization and placement of measures. Influence of different sources of input (measured or calculated soil hydraulic properties data) and calibration data (river discharge, amount of water in the soil, a combination of both) on the functioning of 12 versions of the SWAT model was studied. We found that not all model calibration methods are suitable for all situations. Only in some cases differences in the model results were confirmed. We conclude that the differences are not so large as to clearly indicate the best option, so it may be more prudent to use data that are easier to access or otherwise more appropriate in a given situation. The proposed decision support system was tested in vulnerable areas of the Drava and Krško basins by evaluation of the environmental and economic impact of different agricultural practices the first by simulating nitrate leaching and the second by calculating the contribution margins. By simulating the expected agricultural practices, we determined which parts are more vulnerable and where it would make more sense to introduce stricter measures. By comparing the effects of a wider range of alternative agricultural practices, we determined which ones are most suitable for individual soil types in the area. It turned out that universally effective practices do not exist: some are more effective in some, others in other cases. Effective agricultural practices were allocated in both areas according to three optimization criteria: environmental, economic and combined. We found that all three, even the economic one, which maximizes the economic impact of agriculture, improved the nitrate leaching situation in the whole area, so we conclude that using the proposed system and placing measures based on both their environmental and economic effectiveness in the area can reduce nitrate leaching from agricultural land and increase the economy of agricultural production.

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155 Research products, page 1 of 16
  • Open Access English
    Authors: 
    Herzfeld, Tobias;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Klimawandel und Bodendegradation üben Druck auf die Nahrungsmittelproduktion sowie auf die Fähigkeit des Bodens zur Minderung des Klimawandels beizutragen aus. Bodendegradation hat negative Auswirkungen auf die Bodenqualität. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Effekte von landwirtschaftlich getriebener Bodendegradation, vor allem durch Pflügen und dem Umgang mit Ernterückständen. Es wird ein Überblick über das Thema Bodendegradation gegeben, gefolgt von Erweiterung des globalen Ökosystemmodells Lund-Potsdam-Jena-managed-Land (LPJmL) um eine detaillierte Prozessabbildung von Pflugpraktiken und Effekten von Ernterückständen. Diese ermöglicht die Analyse der Effekten von landwirtschaftlichen Managements auf die Anpassung und Minderung des Klimawandel. Das Modell kann die Effekte von naturerhaltender landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (im Englischen bekannt als Conservation Agriculture) auf Kohlenstoffvorräte im Boden und CO2 Emissionen simulieren. Im letzten Teil wird die historische Dynamik der Entwicklung von Bodenkohlenstoff (engl.: Soil Organic Carbon – SOC) und die Effekte von Annahmen zum zukünftigen Management unter unterschiedlichen Klimaszenarien gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die historische Umwandlung von natürlicher Vegetation zu landwirtschaftlicher Fläche bis zu 215 Pg SOC im Boden verloren gegangen sind. Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten weitere 38 Pg SOC zusätzlich verloren gehen, wird die heutige landwirtschaftliche Fläche nicht nachhaltig bewirtschaften. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug zeigt einen geringen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte des Bodens, während die Wahl der Behandlung von Ernterückständen erheblich Einfluss hat. Die Rückführung von Ernterückständen hat positive Einflüsse auf Bodenwassergehalt und Ernteproduktivität, mit regionalen Unterschieden. Insgesamt zeigen 46% der heute Landwirtschaftsfläche das Potenzial zur Steigerung des Bodenkohlenstoff, während mindestens 52% Kohlenstoff im Boden verlieren könnten. Climate change and increasing soil degradation put pressure on the global food production systems and the ability of land for climate change mitigation. Additionally, soil degradation has negative implications on soil quality. This thesis analyzes the effects of agricultural-driven global soil degradation, in particular tillage and residue management. At first, a review the state of knowledge on global soil degradation is provided. Soil organic carbon (SOC) decline is one of the major forms of soil degradation on cropland and a useful indicator of the status of soil degradation. Secondly, to study the effects of different pathways of agricultural management on biophysical and biogeochemical flows, the global ecosystem model Lund-Potsdam-Jena managed Land (LPJmL) is extended by a detailed representation of tillage practices and residue management. This improvement of LPJmL allows for the analysis of management-related effects on agricultural mitigation of climate change adaption and the reduction of environmental impacts. The model can simulate the effects of conservation practices on SOC stocks and CO2 emissions. And third, SOC development and the effects of different management assumptions under climate change is analyzed. This shows that approximately 215 Pg SOC was lost due to the historical conversion of natural land to cropland and up to 38 Pg SOC could be additionally lost on already existing cropland until the end of the century if cropland is not managed sustainably. The type of tillage system has small effects on the SOC stocks, while the choice of crop residue treatment is shown to be the main driver governing SOC development. Returning residues to the soil slows the decline of SOC, and positively affects soil moisture and crop productivity, with regional differences. In total, up to 46% of todays’ cropland shows the potential for SOC increase, while at least 52% of cropland today will undergo further SOC loss as a form of soil degradation.

  • Open Access English
    Authors: 
    Drebenstedt, Ireen;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Climate change poses a challenge for the production of crops in the twenty-first century due to alterations in environmental conditions. In Central Europe, temperature will be increased and precipitation pattern will be altered, thereby influencing soil moisture content, physiological plant processes and crop development in agricultural areas, with impacts on crop yield and the chemical composition of seeds. Warming and drought often occur simultaneously. The combination of multiple abiotic stresses can be synergistic, leading to additive negative effects on crop productivity. To date, little information is available from multi-factor experiments analyzing interactive effects of warming and reduced precipitation in an arable field. In addition, one major issue of studying climate change effects on crop development in the long-term is that weather conditions can vary strongly between years, e.g., with hot and dry summers in comparison to cool and wet ones, which directly affects soil moisture content and indirectly affects crop development. Thus, considering yearly weather conditions seems to be important for the analyses of climate change effects on aboveground biomass and harvestable yield of crops. The aim of the present work was to identify single and combined effects of soil warming (+2.5 °C), reduced summer precipitation amount (-25%), and precipitation frequency (-50%) on crop development, ecophysiology, aboveground biomass and yield as well as on yield quality of wheat, barley, and oilseed rape grown in the Hohenheim Climate Change (HoCC) field experiment. This thesis presents novel results from the HoCC experiment in the long-term perspective. Thus, aboveground biomass and yield data (2009-2018) of the three crops were analyzed with regard to their inter-annual variability, including annual fluctuations in weather conditions.This thesis consists of three publications. In the first and second publication a field experiment within the scope of the HoCC experiment was conducted with spring barley (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) and winter oilseed rape (Brassica napus L. cv. Mercedes) in 2016 and 2017. The objective was to investigate the impacts of soil warming, altered precipitation pattern and their interactions on biomass production and crop yield. In addition, it was examined, whether the simulated climate changes affecting barley photosynthesis and the seed quality compounds of oilseed rape. In the third publication, long-term plant productivity data of wheat, barley, and oilseed rape were evaluated, including aboveground biomass and yield data from the field experiment in 2018 with winter wheat (Triticum aestivum L. cv. Rebell). Der Klimawandel stellt aufgrund veränderter Umweltbedingungen eine Herausforderung für den Anbau von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen im 21. Jahrhundert dar. In Mitteleuropa steigt die Temperatur an und die Niederschlagsmuster verändern sich, wodurch die Bodenfeuchte, die physiologischen Pflanzenprozesse und die Pflanzenentwicklung in landwirtschaftlichen Gebieten beeinflusst werden. Dies wirkt sich auf den Ernteertrag und die chemische Zusammensetzung der Erträge aus. Häufig treten Erwärmung und Trockenheit gleichzeitig auf. Dabei kann sich das Vorkommen mehrerer abiotischer Stressoren synergistisch auswirken und zu additiv negativen Effekten auf die Pflanzenproduktivität führen. Bisher liegen nur wenige Informationen aus multifaktoriellen Experimenten vor, welche die Wechselwirkungen von Erwärmung und Trockenheit in einem landwirtschaftlichen Feld untersuchen. Darüber hinaus ist es wichtig die Auswirkungen des Klimawandels auf die Entwicklung von Nutzpflanzen in Langzeitstudien zu untersuchen, da die Wetterbedingungen zwischen den Jahren stark variieren können, z. B. mit heißen und trockenen Sommern im Vergleich zu kühlen und nassen, mit direkter Auswirkung auf die Bodenfeuchte und indirekter Wirkung auf die Entwicklung der Pflanzen. Demzufolge scheint eine Berücksichtigung der jährlichen Wetterbedingungen wichtig zu sein, wenn die Folgen des Klimawandels auf die oberirdische Biomasse und den Ernteertrag von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen abgeschätzt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es im Rahmen des Hohenheim Climate Change (HoCC) Feld-Experimentes die Folgen der drei Faktoren Bodenerwärmung (+2,5°C), reduzierter Sommer Niederschlagsmenge (-25 %) und Niederschlagshäufigkeit (-50 %) einzeln oder in Kombination auf die Parameter Pflanzenentwicklung, Ökophysiologie, oberirdische Biomasse, Ertrag und Ertragsqualität von Weizen, Gerste und Raps zu untersuchen. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse aus dem Langzeit - HoCC-Experiment präsentiert. Dazu wurden Daten von 2009-2018 zu oberirdischer Biomasse und Ertrag der drei Kulturen hinsichtlich ihrer zwischenjährlichen Variabilität analysiert und jährliche Schwankungen in den Witterungsbedingungen berücksichtigt. Die Dissertation besteht aus drei Publikationen. In der ersten und zweiten Veröffentlichung wurde im Rahmen des HoCC Experimentes in den Jahren 2016 und 2017 ein Feldversuch mit den Nutzpflanzen Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) und Winterraps (Brassica napus L. cv. Mercedes) durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen einer Bodenerwärmung, veränderten Niederschlagsmustern und deren Wechselwirkungen auf die Biomasseproduktion und den Ernteertrag zu untersuchen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich die simulierten Klimaänderungen auf die Photosynthese von Gerste sowie auf die Inhaltsstoffe von Rapssamen auswirken. In der dritten Veröffentlichung wurden Langzeit - Produktivitätsdaten von Weizen, Gerste, und Raps ausgewertet, darunter oberirdische Biomasse und Ertragsdaten aus dem HoCC Feldversuch von 2018 mit Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Rebell).

  • Open Access English
    Authors: 
    Guzman Bustamante, Ivan;
    Publisher: Universität Hohenheim
    Country: Germany

    Agricultural activities are responsible for a substantial share of anthropogenic greenhouse gases. At the same time, agricultural production must feed a growing world population under a changing climate. In the case of wheat, the use of nitrogen (N) fertilizers is needed in order to insure grain yield and quality. Nevertheless, its use is associated with reactive N losses, which are detrimental for the environment and human health. Among the gaseous N species emitted after N fertilization we find nitrous oxide (N2O), a potent greenhouse gas, and ammonia (NH3) that after its deposition can be oxidized to N2O. Chemical compounds such as nitrification and urease inhibitors (NIs and UIs, respectively) are a useful tool, able to raise the fertilizer nitrogen use efficiency, by retarding the nitrification of ammonium based fertilizer in the case of NIs and by retarding the hydrolysis of urea in the case of UIs. A side benefit of the use of NIs is the reduction of N2O emissions. The use of UIs reduces the NH3 volatilization. One of the most used NIs in Europe is 3,4-dimethylpyrazol phosphate (DMPP) which can be applied with ammonium sulfate nitrate (ASN). The relatively new NI, 3,4-dimethylpyrazol succinic acid (DMPSA), acts similarly to DMPP but has a different time of action and can be applied to several fertilizers, unlike DMPP. N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) is an effective UI that provenly reduces NH3 volatilization by inhibiting the urease enzyme. In a two-year field experiment with winter wheat several fertilizer strategies were tested, including splitting strategies, use of NIs and reduction of N amount. Reducing N amount reduces the amount of soil mineral N, which is the substrate for N2O producing microbiological processes, nitrification and denitrification. Splitting of N fertilizer might reduce soil mineral N as well because N fertilizer applications are better suited to the physiological needs of the wheat plants. Applying NIs in splitting schemes may further mitigate emissions. The relationship between N amount and N2O losses in a wheat production system was investigated by applying lower and higher N amounts than the recommended N application rate. Use of DMPP was able to reduce N2O emissions in both years, not only on an annual basis (by 21 %: 3.1 vs 2.5 kg N2O-N ha-1 a-1 average for both years) but also during winter, when up to 18 % of total annual emissions occurred. A change of the soil microbial community due to DMPP could be the reason for the reduction of winter emissions 8 to 12 months after DMPP application. An economic assessment of N fertilizer amount showed that DMPP applied with suboptimal N fertilizer amounts can maintain yield and at the same time decrease yield scaled N2O emissions compared to an optimal N fertilizer rate without NI. Using CAN together with the NI DMPSA reduced N2O emissions only during the vegetation period. On an annual basis, DMPSA did not significantly reduce N2O emissions. Because DMPSA and DMPP were applied with different N fertilizers with different ammonium and nitrate shares, a direct comparison between these two NIs cannot be made. A traditional threefold split fertilization did not reduce annual emissions compared to a single application of ASN or CAN. Nevertheless, the use of DMPP in twofold split applications reduced annual emissions significantly by 33 % and increased protein content by 1.6 %. Because N2O flux peaks were not as high as expected after N fertilization during the first year, a short experiment investigating the effect of soil moisture, N and C application on N2O fluxes was conducted. A C limitation of the field was found, which explained high N2O emission events when C was available, e.g. after rewetting of dry soil and incorporation of straw after harvest. In this context we tested the removal of wheat straw – which should reduce the organic substrate supply for denitrifiers – as a possible mitigation strategy. Nevertheless, the removal of straw had no effect on N2O emissions. Furthermore, the effect of DMPP on microorganisms was studied in an incubation experiment: the copy number of bacterial amoA genes (nitrifiers) was lowered by the use of DMPP, while the number of archaeal amoA genes was increased by DMPP. Gene copy number of denitrifiers was unaffected by DMPP, nevertheless, soil respiration was reduced when DMPP was applied. It seems as DMPP has an inhibiting effect on heterotrophic organisms, nevertheless, the investigated variables did not support this hypothesis, so that further investigation is needed. The effect of NBPT and straw residues on NH3 and N2O emissions was studied in a two-week incubation experiment with a slightly alkaline soil. NBPT reduced NH3 volatilization and N2O fluxes from urea fertilization almost completely. Incorporation of straw residues significantly increased N2O emissions. In a further four-week incubation experiment, the effect of NBPT in two concentrations and DMPP was studied. A higher NBPT concentration as the recommended rate, reduced NH3 emissions by 53 %; DMPP on the other hand increased NH3 volatilization by 70 %. Regarding N2O, DMPP reduced emissions to the same level as the unfertilized control; NBPT only shifted the emission peak so that by the end of the experiment no difference in the cumulative N2O emission was found between urea and NBPT treatments. These results show that UI can lead to a reduction of N2O emissions, but the ammonium formed by the urea hydrolysis should be used by crops, otherwise it serves as a substrate for N2O production in soils. In the final incubation experiment, the combined application of a NI (DMPSA) and a UI (NBPT) was studied. Lower concentrations than the recommended doses were applied in order to assess synergistic effects. The combined application of DMPSA and NBPT did not lead to synergistic effects in the analyzed variables (soil urea amount, soil mineral N, ammonia volatilization, soil respiration and N2O emission). The higher the NBPT concentration, the slower urea was hydrolyzed and the higher the reduction in NH3 volatilization. A third of DMPSA application rate was enough to reduce N2O emissions; however, the use of NI increased NH3 losses. Our results highlight the importance of annual datasets when assessing mitigation strategies for N2O. For wheat production, a reduction of the N fertilizer amount when a NI is used should be taken into consideration. When elite wheat cultivars are grown split application with NI fertilizers could ensure high protein content and simultaneously reduce N2O emission. Urea fertilizer should be applied with NI and UI so that NH3 volatilization and N2O emission is reduced. Nevertheless, long-term effects of these compounds on soil microbiology must be monitored to avoid unseen ecotoxicological effects. Since some of these compounds or their metabolites might be absorbed by plants and end up in food and feed more research is needed to protect consumers. Landwirtschaftliche Aktivitäten sind für einen erheblichen Teil der anthropogenen Treibhausgase verantwortlich. Gleichzeitig muss die landwirtschaftliche Produktion eine wachsende Weltbevölkerung in einem sich verändernden Klima ernähren. Bei Weizen ist der Einsatz von Stickstoffdünger (N) erforderlich, um den Ertrag und die Qualität des Getreides zu sichern. Der Einsatz von Stickstoffdüngern ist jedoch mit reaktiven N-Verlusten verbunden, die sich nachteilig auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken. Zu den gasförmigen N-Spezies, die nach der N-Düngung freigesetzt werden, gehören Distickstoffmonooxid (N2O), ein starkes Treibhausgas, und Ammoniak (NH3), das nach seiner Deposition zu N2O oxidiert werden kann. Chemische Substanzen wie Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren (NI bzw. UI) sind ein wirksames Mittel, um die N-Nutzungseffizienz von Düngemitteln zu erhöhen, indem sie die Nitrifikation von Ammonium-basierten Düngemitteln - im Fall von NI - und die Harnstoffhydrolyse - im Fall von UI - verzögern. Ein positiver Nebeneffekt der Anwendung von NI ist die Minderung der N2O-Emissionen. Durch den Einsatz von UI wird die NH3-Volatilisierung reduziert. Einer der in Europa am häufigsten verwendeten NI ist 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP), das zusammen mit Ammonsulfatsalpeter (ASS) eingesetzt werden kann. Der relativ neue NI, 3,4-Dimethylpyrazolbernsteinsäure (DMPSA), wirkt ähnlich wie DMPP, hat aber einen späteren Wirkzeitpunkt und kann im Gegensatz zu DMPP mit mehreren Düngemitteln angewendet werden. N-(n-Butyl)-thiophosphorsäuretriamid (NBPT) ist ein wirksamer UI, der nachweislich die NH3-Volatilisierung durch Hemmung des Enzyms Urease reduziert. In einem zweijährigen Feldversuch mit Winterweizen wurden verschiedene Düngestrategien getestet, darunter Splitting-Strategien, die Verwendung von NI und die Reduzierung der N-Menge. Die Verringerung der N-Menge reduziert die mineralischen N-Gehalte in Böden, die das Substrat für die mikrobiellen N2O-Quellprozesse Nitrifikation und Denitrifikation darstellen. N-Splitting kann die mineralischen N-Gehalte in Böden ebenfalls verringern, da die N-Düngung besser auf die physiologischen Bedürfnisse der Weizenpflanzen abgestimmt ist. Die Anwendung von NI-Düngern im Rahmen von Splitting-Strategien kann die Emissionen weiter verringern. Der Zusammenhang zwischen der N-Menge und den N2O-Verlusten in einem Weizenanbausystem wurde untersucht, indem niedrigere und höhere N-Mengen als die empfohlene N-Menge ausgebracht wurden. Der Einsatz von DMPP konnte die N2O-Emissionen in beiden Jahren nicht nur auf Jahresbasis reduzieren (um 21 %: 3,1 gegenüber 2,5 kg N2O-N ha-1 a-1 im Durchschnitt beider Jahre), sondern auch im Winter, in dem bis zu 18 % der gesamten Jahresemissionen auftraten. Eine Veränderung der mikrobiellen Bodengemeinschaft durch DMPP könnte der Grund für den Rückgang der N2O-Emissionen 8 bis 12 Monate nach DMPP-Anwendung sein. Eine wirtschaftliche Bewertung der N Düngermenge zeigte, dass DMPP mit suboptimalen N-Düngermengen ausgebracht, im Vergleich mit einer optimalen N-Düngung ohne NI den Ertrag aufrechterhalten und gleichzeitig die ertragsbezogenen N2O-Emissionen verringern kann. Der Einsatz von Kalkammonsalpeter (KAS) zusammen mit dem NI DMPSA reduzierte die N2O-Emissionen nur während der Vegetationsperiode. Auf Jahresbasis reduzierte DMPSA die N2O-Emissionen nicht signifikant. Da DMPSA und DMPP mit unterschiedlichen N-Düngemitteln ausgebracht wurden, die unterschiedlichen Ammonium- und Nitratanteilen aufwiesen, ist ein direkter Vergleich zwischen diesen beiden NIs nicht möglich. Eine herkömmliche dreifach gesplittete Applikation verringerte die jährlichen Emissionen im Vergleich zu einer einmaligen Anwendung von ASS oder KAS nicht. Die Verwendung von DMPP in einer zweifachen Splitapplikation reduzierte die jährlichen Emissionen jedoch deutlich um 33 % und erhöhte den Proteingehalt des Weizenkorns um 1,6 %. Da die Höchstwerte der N2O-Flüsse nach der N-Düngung im ersten Jahr vergleichsweise gering waren, wurde ein Kurzexperiment durchgeführt, in dem die Auswirkungen von Bodenfeuchte, N- und C-Verfügbarkeit auf die N2O-Flüsse untersucht wurden. Es wurde eine C-Limitierung des Bodens festgestellt, was die hohe N2O-Emissionen erklärte, wenn C mikrobiell verfügbar war, z. B. nach Wiederbefeuchtung von trockenem Boden und nach Einarbeitung von Stroh nach der Ernte. In diesem Zusammenhang wurde die Abfuhr von Weizenstroh – das das organische Substratangebot für Denitrifikanten reduzieren sollte – als eine mögliche Minderungsstrategie getestet, sie hatte jedoch keine Auswirkungen auf die N2O-Emissionen. Darüber hinaus wurde die Wirkung von DMPP auf die mikrobielle Gemeinschaft in einem Inkubationsversuch untersucht: Die Kopienzahl der bakteriellen amoA-Gene (Nitrifikanten) wurde durch den Einsatz von DMPP verringert, während die Zahl der amoA-Gene von Archaeen durch DMPP erhöht wurde. Die Anzahl der Genkopien von Denitrifikanten wurde durch DMPP nicht beeinflusst, jedoch wurde die Bodenatmung durch DMPP verringert. Es ist anzunehmen, dass DMPP eine hemmende Wirkung auf heterotrophe Organismen hat, jedoch haben die untersuchten Variablen diese Hypothese nicht bestätigt, so dass weitere Untersuchungen erforderlich sind. Die Wirkung von NBPT und Strohresten auf die Emission von NH3 und N2O wurde in einem zweiwöchigen Inkubationsexperiment mit einem Boden mit leicht alkalischen pH-Wert untersucht. NBPT reduzierte die NH3-Volatilisierung und N2O-Flüsse aus der Harnstoffdüngung fast vollständig. Die Einarbeitung von Strohrückständen erhöhte die N2O-Emissionen erheblich. In einem weiteren vierwöchigen Inkubationsversuch wurde die Wirkung von zwei unterschiedlichen NBPT-Konzentrationen sowie von DMPP untersucht. Eine höhere NBPT-Konzentration als die empfohlene Rate reduzierte die NH3-Emissionen um 53 %; DMPP hingegen erhöhte die NH3-Volatilisierung um 70 %. In Bezug auf N2O reduzierte DMPP die Emissionen auf das gleiche Niveau wie in der ungedüngten Kontrolle; NBPT verschob lediglich die Emissionsspitze, so dass am Ende des Versuchs kein Unterschied in der kumulativen N2O-Emission zwischen den Behandlungen mit Harnstoff und NBPT festgestellt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass UI zu einer Verringerung der N2O-Emissionen führen kann, aber das nach Harnstoffhydrolyse gebildete Ammonium von Kulturpflanzen genutzt werden muss, da es sonst als Substrat für die N2O-Bildung in Böden genutzt wird. Im letzten Inkubationsversuch wurde die kombinierte Anwendung eines NI (DMPSA) und eines UI (NBPT) untersucht. Es wurden niedrigere Konzentrationen als die empfohlenen Dosen verwendet, um synergistische Effekte zu evaluieren. Die kombinierte Anwendung von DMPSA und NBPT führte nicht zu synergistischen Effekten (Harnstoffmenge und mineralischer Stickstoff im Boden, NH3-Volatilisierung, Bodenatmung und N2O-Emission). Je höher die NBPT-Konzentration, desto langsamer wurde der Harnstoff hydrolysiert und desto stärker wurde die NH3-Volatilisierung reduziert. Ein Drittel der empfohlenen DMPSA-Aufwandsmenge reichte aus, um die N2O-Emissionen zu verringern; die Verwendung von NI erhöhte jedoch die NH3-Verluste. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung ganzjähriger Datensätze bei der Bewertung von Minderungsstrategien für N2O. Beim Weizenanbau sollte eine Verringerung der N-Düngermenge beim Einsatz von NI in Betracht gezogen werden. Beim Anbau von Elite-Weizensorten kann eine gesplittete N-Gabe mit NI einen hohen Proteingehalt bei gleichzeitiger Minderung der N2O-Emission gewährleisten. Harnstoffdünger sollte mit NI und UI ausgebracht werden, so dass die NH3-Volatilisierung und die N2O-Emission verringert werden. Dennoch müssen die langfristigen Auswirkungen dieser Verbindungen auf die mikrobielle Gesellschaft von Böden untersucht werden, um unvorhergesehene ökotoxikologische Auswirkungen zu vermeiden. Da einige dieser Verbindungen oder ihre Metaboliten von Pflanzen aufgenommen werden und in Lebens- und Futtermittel gelangen könnten, ist weitere Forschung zum Schutz der Verbraucher erforderlich.

  • Publication . Doctoral thesis . 2023
    English
    Authors: 
    Neunteufel, Daniel;
    Publisher: TU Wien

    Lokalisierung in geschlossenen Räumen hat über die letzten Jahre große Bedeutung gewonnen. Während GNSS Lösungen für Anwendungen im Freien gut geeignet sind, ist ihr Nutzen für präzise Lokalisierung in Innenräumen beschränkt, da in der Regel die Sichtverbindung zu den Satelliten fehlt. Trotz jahrelanger Forschungsarbeit hat sich bis heute für solche Szenarien keine vergleichbare einzelne dominante Methode etabliert. Es existieren vielmehr eine Vielzahl von unterschiedlichen Herangehensweisen, sowohl in Hinblick auf Hardware, als auch in Fragen der Algorithmik, alle mit individuellen Vor- und Nachteilen behaftet. Die Lösungen sind dabei oft für die konkreten Anwendungen maßgeschneidert. So unterscheidet sich zum Beispiel das Verfolgen der Position eines einzelnen beweglichen Zieles fundamental von Anwendungen in der Lagerhaltung, wo eine Vielzahl sporadisch bewegter Knoten im Ganzen beobachtet werden soll. Letzteres steht im Fokus dieser Arbeit. Die Motivation dafür erwächst sich aus der Tatsache, dass über die letzten Jahre Milliarden solcher Knoten im Kontext des wachsenden internet of things (IoT) installiert wurden, meist ohne Funktionalität zur Lokalisierung. Wenn sich nun neue Anwendungsfelder für die bereits existierender Knoten ergeben, die ursprünglich nicht vorgesehen waren, ist die Wiederverwendung der langlebigen Hardware aus ökonomischen Gründen wünschenswert. Konkrete Möglichkeiten dafür auszuloten, ist Ziel dieser Arbeit. Zentrale Herangehensweise ist die Verwendung von Radiowellen im industrial, scientific, and medical (ISM) Band bei 2,4 GHz, da viele existierende Systeme in diesem lizenzfreien Frequenzbereich kommunizieren. Schwund aufgrund von Mehrwegeausbreitung und Interferenz sind die charakteristischen Eigenschaften in Innenraumszenarien. Die beschränkte Signalbandbreite der typischerweise eingesetzten Sende- und Empfangshardware machen Messungen der Signallaufzeit (ToF) zu einer großen Herausforderung. Es wird daher eine neuartige Methode vorgestellt, die eine drastische Erhöhung der Sendebandbreite weitverbreiteter Funkchips erlaubt. Sie basiert auf der Generierung eines Chirp-Signals durch direkte Manipulation des eingesetzten Synthesizers. Die Signalmodulation und die sich ergebende benötigte digitale Signalverarbeitung werden näher ausgeführt. Im Gegensatz zur Sendebandbreite, kann die Empfangsbandbreite nicht im selben Maße erhöht werden. Daher ist eine geeignete Empfängerinfrastruktur mit ausreichender Signalabtastrate notwendig, um eine Lokalisierung der ausschließlich sendenden Knoten zu erlauben. Da die Zeitsynchronisierung von Sender und Empfängern zum Zwecke von Laufzeitmessungen unmöglich ist, müssen die Empfänger synchronisiert werden, um auf differentielle Laufzeitmessungen (TDoA) zurückgreifen zu können. Dafür wird ein geeignetes Systemmodel ausgearbeitet, das Synchronisierungsungenauigkeiten berücksichtigt. Mit diesem Model und den davon abgeleiteten unteren Schranken der möglichen Schätzgenauigkeit werden die Anforderungen an eine Empfängerinfrastruktur abgeschätzt. Im Zuge einer Messkampagne wurden die hier vorgeschlagenen Ansätze unter realen Bedingungen mithilfe von Software-Defined Radios (SDR) getestet. Mit einer Kombination von differentiellen Laufzeit-, Einfallswinkel- und Signalstärkemessungen kann ein mittlerer quadratischer Fehler von 2,19 m erreicht werden. Dies zeigt, dass sogar mit der Beschränkung auf Hardware mit stark limitierten Möglichkeiten zur Lokalisierung gute Resultate erzielt werden können. Indoor localization has become an important topic in recent years. While for outdoor use, highly developed global navigation satellite systems (GNSS) are the omnipresent method for localization, their application in indoor scenarios is limited, due to obstructed line-of-sight (LoS) links to the satellites. Despite many years of vigorous research, no comparable single dominant method has been established for indoor use cases. Rather, there exist a multitude of different approaches, from both hardware and algorithmic perspective, all having individual advantages and disadvantages. Suitable solutions often strongly depend on the concrete application. For example, tracking of a single moving user is different from location awareness of large ensembles of internet of things (IoT) nodes. The latter is of particular research interest, as over the years vast numbers of such nodes were deployed for numerous applications, initially without capabilities for localization. Over time, new use cases might arise for such nodes which have not been foreseen upon deployment. The reuse of existing IoT hardware is desirable in such cases, as changes to large numbers of nodes are costly. Possibilities to enable localization under these circumstances are studied in this thesis. The focus lies on the use of radio waves in the industrial, scientific, and medical (ISM) radio band at 2.4 GHz, as many existing systems make use of this unlicensed frequency band. Multipath fading and interference is characteristic for the typical indoor channel. To overcome the drawbacks of the limited signal bandwidth of widely used hardware in scenarios prone to such multipath effects, a novel method is suggested which allows extending the available transmit signal bandwidth. With this method, meaningful time of flight (ToF) measurements become feasible. It relies on direct manipulation of the synthesizer of a transceiver chip, allowing for chirped signal modulation. This signal modulation and the required processing arising from the proposed non-standardized approach is elaborated. Unlike the transmission bandwidth, the receiver bandwidth of the transceiver chips cannot be increased similarly. Thus, a dedicated receiver infrastructure with a sufficient sampling rate is required to facilitate the localization of transmit-only nodes. As synchronization of nodes and infrastructure is assumed impossible, time difference of arrival (TDoA) calculations for synchronized receiving anchors at known locations are studied. For such an implementation with synchronized receivers, a suitable system model is introduced, taking into account a possibly non-ideal synchronization. Using the system model and thereof derived estimation bounds, the requirements on such an infrastructure are assessed. During a measurement campaign, the proposed method has been tested under real-world conditions, using a software-defined radio (SDR) platform. A combination of TDoA with angle of arrival (AoA) and received signal strength (RSS) measurements allows achieving a root-mean-square error (RMSE) of 2.19. This proves that good localization results are achievable even with limited hardware capabilities.

  • Open Access English
    Authors: 
    Singh, Chandrakant;
    Publisher: Stockholms universitet, Stockholm Resilience Centre
    Country: Sweden

    Tropical rainforests in the Amazon and Congo River basins and their climate are mutually dependent. Evaporation from these forests help regulate the regional and global water cycle. Furthermore, these rainforests themselves depend on precipitation to sustain their structure and functions. However, the rapid increase in human activities (such as burning fossil fuels and deforestation) has significantly changed the rainforests’ climate. Due to the effect of human-induced perturbations on moisture feedbacks (i.e., precipitation and evaporation patterns), these rainforests risk tipping to a savanna or treeless state. Understanding how these forests respond to climate change will aid in assessing their resilience to water-induced perturbations as well as in anticipating and preparing for potential tipping risks in the future. However, our understanding of how vegetation responds to climate change is fragmented, which limits our capacity to predict these risks. Previous studies have primarily relied on precipitation data to understand these forest-to-savanna transitions. However, ecosystem transition risks are also associated with water-stress, which depends on the vegetation’s capacity to adapt to drier conditions by storing water in its root zone. This thesis investigates the effect of hydroclimatic changes on root zone adaptation and its implications for forest resilience. Paper I uses remote sensing data to analyse water-stress and drought coping strategies across the rainforest-savanna transects. Paper II uses the root zone storage capacity to quantify the resilience of forest ecosystems. Using the empirical understanding of root zone forest dynamics and hydroclimatic estimates from Earth System Models, Paper III projects future forest transitions and estimates tipping risks by the end of the 21st century under four different shared socio-economic pathways. Paper IV uses atmospheric moisture tracking data to investigate the leverage landholders in South America have over precipitation and the resilience of forest ecosystems. Papers I and II reveal the non-linear relationship between the ecosystem’s above-ground structure and root zone storage capacity. These studies indicate that, under hydroclimatic changes, the ecosystem’s root zone storage capacity is much more dynamic than its above-ground forest structure and is more representative of the ecosystem’s transient state than precipitation. Ignoring this root zone adaptive capacity can underestimate forest resilience, primarily observed in the Congo rainforest. Paper III projects that the risk of forest-savanna transition will increase with climate change severity, most prominently observed in the Amazon rainforest. Paper IV finds that all landholders have equal leverage over the moisture precipitating locally and over farther-downwind land systems. According to this study, smallholders have a disproportionately larger influence over forest rainfall. However, large landholders have a larger influence on forest resilience as well as over the moisture precipitating on croplands and pastures. These results warrant the need for policies to factor in the impact of deforestation on downwind actors and promote effective ecosystem stewardship. The insights from this thesis highlight the importance of understanding and assessing ecosystem dynamics under a rapidly changing climate for strengthening management and conservation efforts across the globe. Earth Resilience in the Anthropocene (ERA; ERC-2016-ADG 743080)

  • Open Access English
    Authors: 
    Junttila, Sofia;
    Publisher: Lund University (Media-Tryck)
    Country: Sweden

    Boreal forests and peatlands store over 30% of the global terrestrial carbon in their vegetation and soil. but changing climate can compromise the current carbon stock. Rising air temperatures, changing precipitation patterns and increased risk of natural disturbances can impact the ability of the boreal ecosystems to absorb and store carbon, reducing their effectiveness as carbon sinks. Reliable estimates of carbon fluxes between these ecosystems and the atmosphere are crucial for understanding the ecosystem response to climate change. This thesis focuses on developing remote sensing-based modelsof the vegetation carbon uptake i.e. gross primary production (GPP) in Nordic forests and peatlands, and upscaling the estimates from sites to landscape and regional levels.The results demonstrate that spectral vegetation indices EVI2 and PPI can capture the seasonal dynamics of GPP well. In general, other environmental variables that further helped to improve the results were air temperature, photosynthetically active radiation (PAR), and vapour pressure deficit(VPD) that expresses atmospheric demand for water. Another finding was that the spatial resolution of the satellite instrument had less influence on the accuracy of GPP estimates than the model formulation and selection of the input data. The result suggested that vegetation productivity can be monitored at various scales with high accuracy using satellite remote sensing data. Fine-scaleestimates are beneficial when monitoring individual forest stands or spatially heterogeneous ecosystems like peatlands.Various model formulations were tested to estimate GPP with remotely sensed data. The site-specific calibration gave more accurate results, but the single parameter set per ecosystem type was more applicable for upscaling GPP for a larger area. In addition, we found that PPI performed well andprovided a useful tool for estimating GPP at local and regional scales. Despite the good agreement with the eddy covariance-derived GPP, the models could be further improved to capture the spatial heterogeneity between the sites by adding e.g. soil moisture data. Finally, we applied a PPI-based model to estimate annual GPP in Sweden’s forests and peatlands with a 10-meters spatial resolution. This thesis highlights that satellite remote sensing has a great potential for monitoring variations changes in vegetation carbon uptake in Nordic forest and peatland ecosystems.

  • Open Access English
    Authors: 
    Khan, Asad Ullah;
    Publisher: The University of Edinburgh
    Country: United Kingdom

    The planet is heating up. Rapid-paced human change in the earth systems is increasing frequencies of catastrophic events, ranging from tropical cyclones to ecological collapse, oceanic increase to coastal floods, unprecedented wildfires to lethal droughts. In a ‘compound state’, as recent scientific reports suggest, climate change might render the planet uninhabitable. In regions exposed to the increased impacts of compound climate-related events, risks concerning human existence or the so-called ‘existential risks’ run high. ‘Existential risk’ is the possible chance of human extinction. Extinction means the irreversible termination of a species class and its genetic heritage. It is also known as an ‘existential catastrophe’. ‘Existential risk studies research’ is a ‘scientific discipline’. It estimates probabilities of human extinction using statistical and rational analysis of incoming evidence. In the climate context, the present literature analyses independent risks rather than geographic hotspots where multiple risks overlap and create novel catastrophic bifurcations across spatial and temporal scales. ‘Ex-risk Architecture’ integrates practices of computational architecture, remote-sensing earth science and design informatics into an expanded interface and an open-ended research process of information synthesis, form-making and design speculation––in order to anticipate global catastrophic risks of climate change in forensic-grade architectural images. I foreground architecture as an augmented form of risk perception in order to anticipate spaces of extinction rupturing from extreme climate change. Though oft-used to eliminate risks, I enact ‘anticipation’ through design to perceptualise risks in a spatiotemporal form and galvanise preparedness as catastrophic anthropogenic change accrues. I develop research through practice, using design to manufacture possible spatiotemporal experiences of catastrophic scenarios in order to shape global social imaginaries on climate change. I use architecture representation as a perceptual interface to compress geo-environmental information, indexing material legacies of human change in perceptual artefacts. I construct extreme spatiotemporal projections of the known impact of human change at smaller scales in computational models. I use site-specific empirical evidence from the planet’s most exposed regions to climate change in the design process, ranging from glacier melting (Warren Cave) and environmental pollution (New Orleans) to atmospheric depletion (Mauna Kea). I develop algorithms through advanced programming languages to synthesise remote sensed geospatial datasets––revealing spatial and temporal accounts of the existential catastrophe at multiple scales in a broad range of architectural diagrams and digital animations. The outcomes form a design portfolio, prised apart into three-site specific projects. 1. Warren Cave (2018-2019) 2. New Orleans (2018-2019) 3. Mauna Kea (2019-2021) The work appraises climate change through architecture as an existential risk par excellence. The dissertation contributes to an advanced computational design workflow––integrating planet- scale contingencies into architectural concerns. It appraises architecture as a methodological parallel to existential risk research through original design investigation.

  • English
    Authors: 
    Nwachukwu, Pius Nmamdi;
    Publisher: HAL CCSD
    Country: France

    Climate variability causes the hydroological system to be dynamic on a range of time scales. Putting strain on the system in the past through flood and drought situations. The effects of current climate variability may be exacerbated by anthropogenic global warming. The first attempt was to validate 16 satellite-based precipitation products (SPPs) comprising satellite, gauge and reanalysis datasets. The datasets were validated with the precipitation data from 11-gauge reference stations across Nigeria from 2000–2012. This became important after it was discovered that accurate and timely precipitation data for the study area was lacking. The Kling–Gupta efficiency (KGE) was used to test the product for correlation, bias and variability. The results revealed that the substantial SPP reliability varies spatially and temporally. It was discovered that all the SPPs performed better over part of central Nigeria during the dry season. When the real-time and adjusted satellite-based products were compared, the results showed that the adjusted products had a better KGE score. The Assessment also showed that the reliability of integrated multi-satellite retrievals for Global Precipitation Mission (IMERG) products was consistent with that of their predecessor Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) multi-satellite precipitation analysis (TMPA). Finally, the best overall scores were obtained from multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 and IMERG-F v.6. Both products are therefore suggested for further hydrological studies.Secondly, the Standard Precipitation Index (SPI) and the Standard Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI) were used to evaluate the drought situation across Nigeria between 1981-2019 to determine the strength and pattern of drought in the study area. SPI evaluates drought based solely on precipitation. SPEI, in contrast to SPI, considers both temperature and precipitation, partially accounting for the effects of global warming and climate change. The Assessment of the level of agreement between SPI and SPEI at various timescales, i.e. (3,6 and 12 months), revealed a high correlation of r=0.94. The Assessment revealed that there were intense drought episodes between 1982 to 1984. Several drought types were present across the study area and in all the timescales. The highest intensity was determined to have occurred in 1983. However, the last extreme drought event was determined in 2016. As a result, it was determined that the frequency of severe and extreme drought has recently reduced. However, the frequency of moderate droughts persists, especially at the 3-months timescales. According to the results of this study, there is generally a satisfactory agreement between SPI and SPEI ratings in the study area. Thirdly, the climatic influence on evapotranspiration (ET), a critical climate indicator in studying climate change due to its contribution to the hydrologic cycle and the energy balance, was assessed. The Assessment was to reveal the influence of climatic variables such as temperature, precipitation, solar radiation, and wind against evapotranspiration changes to determine their impacts on ET across Nigeria using the Mann–Kendall (MK) trend test estimator for trend detection. The MK results showed that solar radiation and temperature had more influence on the ET of the study area in terms of their correlation and magnitude.In conclusion, natural climate change is more prevalent despite anthropogenic activities’ large expanse of land use change. Solar radiation and temperature are the prominent factors exacerbating evapotranspiration in the study area. Additionally, the study area’s limited precipitation duration experience in the Sahel and Sudan Savannah ecological region aggravates hydroecological degradation.; La variabilité du climat a un effet sur le système hydrologique sur différentes échelles de temps. Il a été mis à rude épreuve dans le passé par des situations d'inondation et de sécheresse. La première tentative a été de valider 16 produits de précipitation par satellite (SPP) comprenant des données satellitaires, des jauges et des données de réanalyse. Les ensembles de données ont été validés avec les données de précipitation de 11 stations de référence à travers le Nigeria de 2000 à 2012. Ceci est devenu important après qu'il ait été découvert que les données de précipitation précises et opportunes pour la zone d'étude faisaient défaut. L'efficacité de Kling-Gupta (KGE) a été utilisée pour tester la corrélation, le biais et la variabilité du produit. Les résultats ont révélé que la fiabilité substantielle du SPP varie dans l'espace et dans le temps. Il a été découvert que tous les SPP sont plus performants sur une partie du centre du Nigeria pendant la saison sèche. Lorsque les produits satellitaires en temps réel et ajustés ont été comparés, les résultats ont montré que les produits ajustés avaient un meilleur score KGE. L'évaluation a également montré que la fiabilité des récupérations multi-satellites intégrées pour les produits IMERG (Global Precipitation Mission) était cohérente avec celle de leur prédécesseur TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), l'analyse multi-satellites des précipitations (TMPA). Enfin, les meilleurs résultats globaux ont été obtenus avec les produits multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 et IMERG-F v.6.Deuxièmement, l'Indice Standard de Précipitation (SPI) et l'Indice Standard de Précipitation et d'Evapotranspiration (SPEI) ont été utilisés pour évaluer la situation de sécheresse à travers le Nigeria entre 1981-2019 afin de déterminer la force et le modèle de sécheresse dans la zone d'étude. L'indice SPI évalue la sécheresse en se basant uniquement sur les précipitations. Le SPEI, contrairement au SPI, prend en compte à la fois la température et les précipitations, rendant partiellement compte des effets du réchauffement global et du changement climatique. L'évaluation du niveau de concordance entre SPI et SPEI à différentes échelles de temps, c'est-à-dire (3,6 et 12 mois), a révélé une corrélation élevée de r=0.94. L'évaluation a révélé qu'il y a eu des épisodes de sécheresse intense entre 1982 et 1984. Plusieurs types de sécheresse étaient présents à travers la zone d'étude et dans toutes les échelles de temps. L'intensité la plus élevée a été déterminée comme ayant eu lieu en 1983. Cependant, le dernier épisode de sécheresse extrême a été déterminé en 2016. Par conséquent, il a été déterminé que la fréquence des sécheresses sévères et extrêmes a récemment diminué. Cependant, la fréquence des sécheresses modérées persiste, surtout aux échelles de temps de 3 mois. Selon les résultats de cette étude, il existe généralement une concordance satisfaisante entre les cotes SPI et SPEI dans la zone d'étude. Troisièmement, l'influence climatique sur l'évapotranspiration (ET), un indicateur climatique critique dans l'étude du changement climatique en raison de sa contribution au cycle hydrologique et au bilan énergétique, a été évaluée. L'évaluation visait à révéler l'influence des variables climatiques telles que la température, les précipitations, le rayonnement solaire et le vent sur les changements de l'évapotranspiration afin de déterminer leurs impacts sur l'ET à travers le Nigeria en utilisant l'estimateur du test de tendance de Mann-Kendall (MK) pour la détection des tendances. Les résultats de MK ont montré que le rayonnement solaire et la température avaient plus d'influence sur l'ET de la zone d'étude en termes de corrélation et de magnitude.En conclusion, le changement climatique naturel est plus prévalent malgré la grande étendue des activités anthropiques de changement d'utilisation des terres.

  • Open Access English
    Authors: 
    Laudien, Rahel;
    Publisher: Humboldt-Universität zu Berlin
    Country: Germany

    Die Anzahl der unterernährten Menschen in der Welt steigt seit 2017 wieder an. Der Klimawandel wird den Druck auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit weiter erhöhen, insbesondere für kleinbäuerliche und von Subsistenzwirtschaft geprägte Agrarsysteme in den Tropen. Um die Widerstandsfähigkeit der Ernährungssysteme und die Ernährungssicherheit zu stärken, bedarf es eines Klimarisikomanagements und Klimaanpassung. Dies kann sowohl die Antizipation als auch die Reaktion auf die Auswirkungen der globalen Erwärmung ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen in dieser Hinsicht landwirtschaftliche Modelle. Sie können die Reaktionen von Pflanzen auf Veränderungen in den Klimabedingungen quantifizieren und damit Risiken identifizieren. Diese Dissertation demonstriert anhand dreier in Peru, in Tansania und in Burkina Faso durchgeführten Fallstudien, wie statistische Ertragsmodelle das Klimarisikomanagement und die Anpassung in der tropischen Landwirtschaft unterstützen können. Während die erste Studie zeigt, wie Klimaanpassungsbestrebungen unterstützt werden können, werden in Studie zwei und drei statistische Modelle genutzt, um Ertrags- und Produktionsvorhersagen zu erstellen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, Frühwarnsysteme für Ernährungsunsicherheit zu unterstützen. In den drei Veröffentlichungen werden neue Ansätze statistischer Ertragsmodellierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung von bisherigen Ertragsvorhersagen, insbesondere in Bezug auf unabhängige Modellvalidierungen, eine stärkere Berücksichtigung von Wetterextremen und die Übertragbarkeit der Modelle auf andere Regionen. The number of undernourished people in the world has been increasing since 2017. Climate change will further exacerbate pressure on agriculture and food security, particularly for smallholder and subsistence-based farming systems in the tropics. Anticipating and responding to global warming through climate risk management is needed to increase the resilience of food systems and food security. Crop models play an indispensable role in this regard. They allow quantifying crop responses to changes in climatic conditions and thus identify risks. This dissertation demonstrates how statistical crop modelling can inform climate risk management and adaptation in tropical agriculture in the case studies of Peru, Tanzania and Burkina Faso. While the first study shows how statistical crop models can support climate adaptation, studies two and three provide yield and production forecasts. The results can contribute to supporting early warning systems on food insecurity. The three publications present novel approaches of statistical yield modelling at different spatial scales. A particular focus is on further developing existing yield forecasts, especially with regard to independent rigorous model validations, improved consideration of weather extremes, and the transferability of the models to other regions.

  • Open Access Slovenian
    Authors: 
    Curk, Miha;
    Country: Slovenia

    V nalogi je bil razvit sistem za podporo odločanju o izvajanju kmetijskih ukrepov za varovanje podzemne vode pred onesnaženjem z nitrati. Sistem sestavljajo 3 faze: analiza obstoječega stanja, vrednotenje učinkovitosti ukrepov ter optimizacija in umeščanje ukrepov. Preučevali smo vpliv različnih virov vhodnih (izmerjeni oz. izračunani podatki o fizikalnih lastnostih tal) in umeritvenih podatkov (pretoki rek, količina vode v tleh, kombinacija obojega) na delovanje 12 različic modela SWAT. Ugotovili smo, da vsi načini umerjanja modela niso primerni za vse situacije. Zgolj v nekaterih primerih je prišlo do razlik v modelnih rezultatih. Zaključujemo, da razlike med rezultati niso tako velike, da bi jasno pokazale na najboljšo možnost, zato je za umerjanje bolj smiselno uporabiti podatke, ki so lažje dostopni oz. na drug način primernejši v dani situaciji. Predlagani sistem za podporo odločanju smo preizkusili na ranljivih območjih Dravske in Krške kotline. Za vsako območje smo ovrednotili okoljski (izpiranje nitrata) in ekonomski (pokritje) učinek različnih kmetijskih praks prvega z uporabo modela SWAT in drugega z izračunom pokritij. S simulacijo pričakovanih kmetijskih praks (obstoječe stanje) smo na vsakem območju ugotovili, kateri deli so bolj ranljivi in bi bilo zato na njih bolj smiselno zaostriti ukrepe za omilitev izpiranja nitrata. S primerjavo učinkov širšega nabora alternativnih kmetijskih praks smo ugotovili, katere so za posamezne talne tipe na območju najbolj primerne (tako okoljsko kot ekonomsko). Izkazalo se je, da univerzalno učinkovite prakse ne obstajajo: nekatere so bolj učinkovite v enih, druge v drugih primerih. Na podlagi informacije o učinkovitosti ukrepov smo v zadnji fazi kmetijske prakse razporedili na območje po treh kriterijih optimizacije: okoljske, ekonomske in kombinirane. Ugotovili smo, da so vse tri, celo ekonomska, izboljšale stanje z izpiranjem nitrata na celotnem območju, zato zaključujemo, da bi lahko z uporabo predlaganega sistema in umeščanjem ukrepov na podlagi njihove okoljske in ekonomske učinkovitosti na območju hkrati zmanjšali izpiranje nitrata s kmetijskih površin in povečali ekonomičnost kmetijske pridelave. This thesis developed a decision support system for implementation of agricultural measures for groundwater protection against pollution by nitrates. The system consists of 3 phases: analysis of the existing situation, evaluation of the effectiveness of measures, and optimization and placement of measures. Influence of different sources of input (measured or calculated soil hydraulic properties data) and calibration data (river discharge, amount of water in the soil, a combination of both) on the functioning of 12 versions of the SWAT model was studied. We found that not all model calibration methods are suitable for all situations. Only in some cases differences in the model results were confirmed. We conclude that the differences are not so large as to clearly indicate the best option, so it may be more prudent to use data that are easier to access or otherwise more appropriate in a given situation. The proposed decision support system was tested in vulnerable areas of the Drava and Krško basins by evaluation of the environmental and economic impact of different agricultural practices the first by simulating nitrate leaching and the second by calculating the contribution margins. By simulating the expected agricultural practices, we determined which parts are more vulnerable and where it would make more sense to introduce stricter measures. By comparing the effects of a wider range of alternative agricultural practices, we determined which ones are most suitable for individual soil types in the area. It turned out that universally effective practices do not exist: some are more effective in some, others in other cases. Effective agricultural practices were allocated in both areas according to three optimization criteria: environmental, economic and combined. We found that all three, even the economic one, which maximizes the economic impact of agriculture, improved the nitrate leaching situation in the whole area, so we conclude that using the proposed system and placing measures based on both their environmental and economic effectiveness in the area can reduce nitrate leaching from agricultural land and increase the economy of agricultural production.