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Development of a modelling system for prediction and regulation of livestock waste pollution in the humid tropics

Introduction: In Malaysia, excessive nutrients from livestock waste management systems are currently released to the environment. Particularly, large amounts of manure from intensive pig production areas are being excreted daily and are not being fully utilised. Alternatively, the excess manure can be applied as an organic fertiliser source in neighbouring cropping systems on the small landholdings of the pig farms to improve soil fertility so that its nutrients will be available for crop uptake instead of being discharged into water streams. Thus, there is a need for better tools to analyse the present situation, to evaluate and monitor alternative livestock production systems and manure management scenarios, and to support farmers in the proper management of manure and fertiliser application. Such tools are essential to quantify, and assess nutrient fluxes, manure quality and content, manure storage and application rate to the land as well as its environmental effects. Several computer models of animal waste management systems to assist producers and authorities are now available. However, it is felt that more development is needed to adopt such models to the humid tropics and conditions of Malaysia and other developing countries in the region. Objectives: The aim is to develop a novel model to evaluate nutrient emission scenarios and the impact of livestock waste at the landscape or regional level in humid tropics. The study will link and improve existing models to evaluate emission of N to the atmosphere, and leaching of nutrients to groundwater and surface water. The simulation outputs of the models will be integrated with a GIS spatial analysis to model the distribution of nutrient emission, leaching and appropriate manure application on neighbouring crop lands and as an information and decision support tool for the relevant users.

Populationsdynamik alpiner Pflanzen auf Landschaftsniveau

Der prognostizierte Klimawandel wird voraussichtlich zu Reduktion und Fragmentierung der Habitate alpiner Pflanzen führen. Inwieweit und wie schnell sich die Pflanzen an die veränderten Habitatmuster anpassen können, ist schwer abzuschätzen, da grundlegende Informationen über die Mobilität alpiner Gefäßpflanzen fehlen. Das Forschungsprojekt 'Populationsdynamik alpiner Pflanzen auf Landschaftsniveau' soll den Kenntnisstand in diesem Forschungsbereich verbessern. Im speziellen werden folgende Fragen untersucht: (1) Existieren für bestimmte Pflanzenarten geeignete, aber nicht besetzte Habitate? Ist die Wahrscheinlichkeit, dass geeignete Habitate besiedelt sind, mit deren Größe und räumlicher Isolation korreliert? Deutet daher das aktuelle Verbreitungsmuster von Gefäßpflanzen in Hochgebirgslandschaften auf eine landschaftsmaßstäbliche Dynamik hin, die dem Metapopulationskonzept entspricht? (2) Ist Genfluss zwischen lokalen Populationen einer Art nachweisbar und ist seine Intensität von der Landschaftstopographie abhängig? Wie unterscheiden sich pollen- und samenvermittelter Genffuß bezüglich Intensität und räumlichem Maßstab? Als Modell-Organismen werden Schneebodenpflanzen der Nordöstlichen Kalkalpen in Österreich untersucht. Schneeböden bilden aufgrund ihrer inselartigen Verteilung in der regionalen Hochgebirgslandschaft einen für solche Forschungsfragen besonders geeigneten Habitattyp. Darüber hinaus bilden die Schneeböden der Nordöstlichen Kalkalpen Lebensraum für einige regionalendemische Pflanzen. Sie sind daher von besonderem Naturschutzwert.

Boden-Dauerbeobachtungsflächen (ST-BIS-01)

Die digitale Karte ''Lage der Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) in den Bodenlandschaften'' zeigt die Lage der in Sachsen-Anhalt eingerichteten Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF). Dargestellt ist das Kilometerquadrat, in dem die jeweilige BDF liegt. Das Boden-Dauerbeobachtungsprogramm dient der Beobachtung von Veränderungen der physikalischen, chemischen und biologischen Beschaffenheit von Böden. Das Land Sachsen-Anhalt besitzt 70 BDF, die nach Landschafts-, Boden-, Nutzungs- und Belastungsrepräsentanz seit 1990 eingerichtet wurden. Die Kernfläche der BDF ist 50 x 50 m groß, in die betriebsübliche Nutzung der umliegenden Fläche integriert und wird in Abständen von mehreren Jahren erneut untersucht. Die Dokumentation der Untersuchungsergebnisse befindet sich bei den am Bodenbeobachtungssystem des Landes beteiligten Behörden.

Auswirkungen der historischen Köhlerei auf Bodenlandschaften in West Connecticut, USA

Holzkohlemeilerrelikte (HKMs) sind anthropogene Kleinformen, die in historischen Montanregionen der Mittelgebirge in Europa weit verbreitet sind. Neue Funde von mehreren tausend HKMs im Norddeutschen Tiefland und die Auswertung hochauflösender digitaler Geländemodelle (DGMs) haben gezeigt, dass die historische Holzkohleproduktion eine bedeutende Rolle bei der spätholozänen Landschaftsentwicklung spielen kann. Neben den historischen und archäologischen Aspekten von HKMs sind die möglichen ökosystemaren Auswirkungen der Köhlerei von Bedeutung, u.a. Veränderungen der physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften, erhöhte Gehalte an Bodenkohlenstoff und Effekte auf das Pflanzenwachstum. Es besteht ein beachtliches Forschungsdefizit hinsichtlich der allgemeinen ökologischen Relevanz von HKMs, da die gesamte Dimension der großen HKM-Landschaften bisher nur in Ansätzen verstanden ist. Köhlerei war auch im Nordosten der USA von Bedeutung, obwohl dort deren Auswirkungen auf die Landschaft weitgehend unbekannt sind. Jüngst konnten mittels Analyse von schattenplastischen Reliefkarten über 3.000 HKMs in einem 40 km2 großen Gebiet in Pennsylvania und über 20.000 HKMs in einem 1.170 km2 großen Areal in Litchfield County (NW Connecticut) nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Befunde ergibt sich ein komplett neues Bild hinsichtlich der anthropogenen Komponente bei der Entwicklung der Bodenlandschaft im Nordosten der USA. Relativ dicht gedrängt finden sich HKMs in den Litchfield Hills in der Umgebung von West Cornwall, Litchfield County, Connecticut. Die HKMs sind an den Hängen des Housatonic River besonders gut erhalten und bilden kreisförmige Plattformen mit Durchmessern von i.d.R. weniger als zehn Metern. Es ist bemerkenswert, dass heute unter dichter Bewaldung diese Hinterlassenschaften der frühen Holzkohleindustrie weitgehend in Vergessenheit geraten sind, obwohl viele Meiler noch Ende des 19. Jahrhunderts in Betrieb waren. Weitere Forschungen sind erforderlich, um unser Verständnis zu den Umweltauswirkungen der historischen Köhlerei zu verbessern und die Quantität sowie Qualität dieses Nutzungserbes auf unsere modernen Ökosysteme zu erfassen. Die Litchfield Hills bieten beste Voraussetzungen, um Eigenschaften, Entwicklung und Verbreitung der HKM-beeinflußten Böden zu untersuchen und generell neue Erkenntnisse zu anthropogenen Bodenlandschaften zu erhalten.

Rekonstruktion der Terra Preta-Genese mittels molekularer Biomarker und ihrer substanzspezifischen Stabilisotopenverhältnisse

In Amazonien dominieren nährstoffarme Oxisole und Ultisole, die nur schwer nachhaltig nutzbar sind. Innerhalb dieser Bodenlandschaft kommen allerdings aufgrund langandauernder anthropogener Nutzung durch präkolumbische Indianer tiefhumose, nachhaltig bewirtschaftbare Böden vor. Unsere bisherigen Untersuchungen belegen, dass die hohen und stabilen Humusvorräte dieser Böden maßgeblich auf pyrogenen Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ungeklärt ist bisher die Herkunft ihrer hohen Nährstoffgehalte (bes. N, P, Ca, Mg). Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es deshalb, durch die kleinräumige Analyse von Biomarkern und ihrer Stabilisotopenverhältnisse sowie von P-Bindungsformen Hinweise auf die Terra Preta-Genese zu bekommen. Insbesondere soll zwischen dem Eintrag menschlicher und tierischer Exkremente sowie zwischen aquatischer und terrestrischer Biomasse unterschieden werden. Von den Ergebnissen der Untersuchungen erwarte ich gezielte Aussagen über die Anreicherung der Terra Preta-Böden mit Nährstoffen sowie die Heterogenität der Eintragspfade.

Kombinierte Anwendung stationärer und mobiler infrarot- und röntgenfluoreszenz-spektroskopischer Analyseverfahren zur räumlich-vertikalen Charakterisierung von Stichproben ausgewählter Bodengesellschaften

Sensorbasiertes Bodenmonitoring, welches infrarotspektroskopische (IR)-Verfahren (Vis/NIRS, MIRS) und energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) einsetzt, kann Bodeneigenschaften, die essentiell zur Ableitung und Bewertung von Bodenfunktionen sind, in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung quantifizieren. Bestehende Defizite der optimalen Datenerhebung und Datenauswertung bei stationären und mobilen sensorbasierten Verfahren erschweren jedoch kritische Beurteilungen der Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren. Im Rahmen des Antrags wird eine Optimierung der stationären und mobilen IR- und XRF-Datenerhebungen für spektral aktive Bodeneigenschaften für repräsentative Bodentypenkomplexe ausgewählter Bodenlandschaften angestrebt. Die Einzelmethoden werden hinsichtlich Messmodi (diffuse Reflexions-Infrarot Fourier-Transformation vs. abgeschwächter Totalreflexionsmodus für MIRS, Pulver vs. Presslinge für XRF), Probenvorbereitungen (in-situ, getrocknet, getrocknet und gesiebt, getrocknet und gemahlen), Messbedingungen und notwendiger Stichprobenanzahlen optimiert. Spezifische Tiefenfunktionen für die unterschiedlichen Bodeneigenschaften werden für ausgewählte Musterprofile definiert. Ein systematischer Vergleich von Kalibrations-Algorithmen zur Quantifizierung spektral aktiver Bodeneigenschaften mittels Vis/NIRS, MIRS und XRF erfolgt bei Verwendung linearer und nicht-linearer Ansätze und Spektren-Dekonvolution in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stichprobengrößen in multiplen Partitionierungen. Dabei werden Spektralvariablenselektion und Spiking bei Verwendung bestehender Datenbanken eingesetzt. Die Genauigkeit der Bodenprofilcharakterisierung durch portable und laborbasierte spektroskopische Verfahren sowie die potentielle Übertragbarkeit kalibrierter Schätzmodelle werden systematisch an einzelnen Profilen der betrachteten Bodentypenkomplexe untersucht. Die Analyse der standortspezifischen Beziehungen zwischen spektral aktiven und inaktiven bzw. spektral schlecht definierten Bodeneigenschaften erfolgt chemometrisch und mittels Regressionsanalysen unter Einsatz der spektral aktiven Bodeneigenschaften als Prädiktoren. Die synergetische IR- und XRF-Datenanalyse der stationären und mobilen Ansätze erfolgt auf Basis von low-, mid- und high-level sowie hybrider Datenfusionsansätze mit Schwerpunkten auf der Outer-Product-Analyse, einer low-level-Fusion mit nachfolgender automatischer Wellenlängenbereichs-Selektion, einer mid-level-Fusion bei jeweiliger Verwendung der Hauptkomponenten und high-level-Fusionen bei Verwendung der Ansätze nach Bates-Granger und nach Granger-Ramanathan.Dieses Projekt liefert die Werkzeuge, um die Datenerhebungen des sensorbasierten Bodenmonitorings zu optimieren, die Bestimmungsgenauigkeiten von unterschiedlich komplexen Bodeneigenschaften durch Datenfusionsansätze zu verbessern und die Anwendbarkeit sensorbasierten Monitorings für ausgewählte Bodentypenkomplexe räumlich und profilbezogen zu bewerten.

Understanding land degradation and developing rehabilitation techniques for degraded landscapes with a focus on the humid tropics (Cameroon)

Tree diseases and landscape processes

Bodenkundliche Übersichtskarte von Niedersachsen und Bremen 1 : 500 000

In der Bodenübersichtskarte im Maßstab 1 : 500 000 (BÜK500) werden die wichtigsten Bodentypen und ihre Vergesellschaftung auf Basis der Bodenlandschaften, Bodengroßlandschaften und Bodenregionen dargestellt. Die räumliche Verteilung von Böden zeigt in der Regel ein engräumiges Mosaik unterschiedlicher Erscheinungen und Eigenschaften. Die Verbreitung lässt sich auch bei großen Maßstäben in der Regel nur als Bodenvergesellschaftung darstellen. Die pedoregionale Gliederung soll den Rahmen für eine systematische Ordnung des räumlichen Nebeneinanders von Böden geben. Die Bodenregionen und Bodengroßlandschaften geben einen Überblick zur bodenkundlichen Gliederung des Landes und bilden die oberen Ebenen der pedoregionalen Gliederung von Niedersachsen. Die Verbreitung der Böden in Niedersachsen ist dabei nicht zufällig. Es ist leicht nachvollziehbar, dass die Böden im Bereich der ebenen Marschlandschaften sich grundsätzlich von denen der Geest, des Bergvorlandes, des Berglandes oder des Mittelgebirges (Harz) unterscheiden. Die Böden und Bodengesellschaften im Bereich der ebenen Marschlandschaften finden keine Entsprechung in der Geest, dem Bergvorland, dem Bergland oder dem Mittelgebirge (Harz). Die vorstehend angeführten Kategorien beschreiben deshalb auch bodenkundlich bedeutsame Großstrukturen und werden als die Bodenregionen Niedersachsens bezeichnet. Innerhalb der Bodenregionen lassen sich jeweils durch Einengung der Geofaktoren (Gestein, Relief, Wasserhaushalt, Klima) zunehmend homogenere Bodenareale bilden. Die Gliederung der Bodengroßlandschaften richtet sich nach der geologischmorphologischen Struktur. In der Geest beruht diese im Wesentlichen auf der Abfolge in der glazialen Serie und dem maritim-kontinentalen Klimawandel. In der Bergvorlandregion werden lössfreie und lössbedeckte Großlandschaften unterschiedlicher Reliefausprägung (eben bis flachwellig, hügelig) abgetrennt. Die Bodengroßlandschaften des Berglandes unterscheiden sich aufgrund der Reliefausprägung. Die Bodenregionen des Mittelgebirges und der Küste werden nicht in Bodengroßlandschaften unterteilt.

Schutzwürdige Böden in Niedersachsen 1 : 50 000 - Seltene Böden

Die Karte zeigt die Bewertung der Schutzwürdigkeit von Böden in Niedersachsen im Hinblick auf ihre Seltenheit. Zu den besonders schutzwürdigen Böden zählen Böden, welche die natürlichen Funktionen sowie die Archivfunktion in besonderem Maße erfüllen. Beeinträchtigungen dieser Funktionen sollen nach Bodenschutzrecht vermieden werden (vgl. §1 BBodSchG). Als selten werden Böden gekennzeichnet, die infolge ungewöhnlicher Kombinationen der Standort-bedingungen (Ausgangsgestein, Klima, Relief) seltene Eigenschaften oder Ausprägungen aufweisen (Bug et al. 2019). Um eine vielfältige Bodenlandschaft und damit ein Mosaik unterschiedlicher Standorteigenschaften zu erhalten, ist der Schutz seltener Böden fachlich geboten. Die ausgewiesenen besonders schutzwürdigen Böden auf Basis der BK50 stellen maßstabsbedingt Suchräume dar. Diese können bei Bedarf im Rahmen von großmaßstäbigen Kartierungen detaillierter ausdifferenziert werden. Die Seltenheit von Böden wird in Niedersachsen in der Kulisse der besonders schutzwürdigen Böden basierend auf der BK50 über eine geringe flächenhafte Verbreitung sowie über lokale oder regionale Besonderheiten abgebildet. Dem liegt neben einer statistischen Auswertung der Flächenanteile auch eine expertenbasierte Einschätzung zugrunde (Bug et al. 2019). Grundlage der Auswertungen ist die Bodenkarte von Niedersachsen 1 : 50 000 (BK50).

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