2013 research outputs found
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The role of institutions and networks in developing the bioeconomy : case studies from Ghana and Brazil
Get PDFAn increasing number of countries have begun putting focus on developing a bioeconomy strategy. The bioeconomy provides a new concept with the aim to design a sustainable economy, which is knowledge-based and based on the use of biological resources. This entails on the one hand higher production of biomass and on the other tighter networks of traditional, national and international institutions. Institutional networks are pivotal for the sustainable production and use of biological resources, as well for the development of innovative biological processes and principles to exploit the potential of biomass. This thesis explores three pivotal aspects needed to take advantage of the considerable untapped potential of the bioeconomy. The first case study aims to identify the determinants of the persisting low maize yields in northern Ghana, despite the introduction of a fertilizer subsidy program. The policy is largely regarded as an instrument to increase crop productivity and contribute to food security. The second empirical study explores the role of female-led market institutions in Ghana. Marketing is central to the development of the bioeconomy and as such, trader organizations have a key role to play the value chain. The third case study investigates, taking sugarcane as a case study example, how well Brazil, the worlds leader in sugarcane production, is positioned to realize the shift from a fossil-based to a bio-based economy (bioeconomy).
The two case study countries Ghana and Brazil were chosen because of their comparable net primary productivity and pedo-climatic conditions, and because of their different stages in the realization of the bioeconomy. Two components are pivotal to the success of the bioeconomy: biomass and knowledge. Based on two case studies in Ghana, this thesis investigates first the efforts to increase maize productivity in the Guinea savanna and secondly explores the role of collective action groups as central actors to address the sustainability dimension of the bioeconomy. Brazil has successfully implemented pivotal aspects of the bioeconomy, especially in the sugarcane sector. For this reason it lends itself well to analyze the role of institutions and networks in the development of new processes and products.
This study adopts a mixed methods approach to address three key aspects of the development of the bioeconomy: production, marketing, and the overall innovation system. Data collection and analysis included qualitative and quantitative methods from various disciplines. The findings are presented in three papers, which this cumulative thesis is composed of.
The first paper adopts a multidisciplinary approach. A household survey, in-depth interviews, and focus group discussions served to gather data on the socio-economic challenges of maize production in the Guinea savanna. Additionally, soil and fertilizer samples were analyzed to identify natural constraints and potential governance challenges. The results from this paper show that both socio-economic and biophysical parameters contribute to an improved understanding of site-specific challenges, resulting in low maize productivity in the Guinea savanna of Ghana.
The second paper explores the role of female-led market associations across regions, ethnicities, and market typologies throughout Ghana. For this study a qualitative approach was chosen with participant observation and in-depth open-ended interviews conducted with traders, both in and out of leadership positions. The results could not empirically confirm the prevailing discourse on the monopolizing power of female-led market associations. The study rather finds that traders collective action provides vital safety-net measures for asset-poor women engaging in risky market activity. However, the public perception is challenging female trader agencies.
The third paper analyzes the role of institutions and focuses on the innovation networks in the sugarcane sector in Brazil. The study combines the novel concept of biomass value-webs with the established National Innovation System concept. For data collection, in-depth interviews and Net-Maps as a participatory tool were applied. The results illustrate the importance of innovation networks for Brazil to become a front-runner in the future bioeconomy. In particular, it emphasizes the importance of integrating national and international private sector organizations, and the need for incentives to foster collaboration with knowledge institutions.
Based on these findings, one can conclude that strengthening the efforts to tailor site-specific solutions that consider the inter-disciplinary nature of crop production, marketing and development of processes is crucial to the bioeconomy. Overall, more attention to innovation networks is required to master the challenges of the bioeconomy and take full advantage of its opportunities.Eine steigende Anzahl an Ländern hat damit begonnen, eine eigene Bioökonomiestrategie auszuarbeiten. Die Bioökonomie stellt ein neuartiges ökonomisches Konzept dar, das zum Ziel hat, ein nachhaltiges, wissensbasiertes Wirtschaftssystem zu schaffen, das auf der Nutzung biologischer Ressourcen basiert. Auf der einen Seite beinhaltet dieses Konzept eine höhere Produktion von Biomasse. Gleichzeitig ist es auf engere Kollaborationen zwischen nationalen und internationalen Institutionen angewiesen. Institutionelle Netzwerke sind wichtig für die nachhaltige Produktion und Nutzung biologischer Ressourcen sowie die Entwicklung innovativer biologischer Prozesse und Prinzipien. Diese Dissertation betrachtet drei Schlüsselaspekte, um das erhebliche noch ungenutzte Potential der Bioökonomie zu erschließen.
Die erste Fallstudie hat zum Ziel, die Gründe für die andauernd niedrigen Maiserträge trotz der Einführung eines Düngersubventionsprogramms in Nordghana zu erforschen. Diese Politikmaßnahme wird weithin als Instrument betrachtet, Getreideproduktivität zu erhöhen und zur Ernährungssicherheit beizutragen. Die zweite empirische Studie untersucht die Rolle von traditionellen Marktfrauenverbänden in Ghana. Marketing ist ein zentraler Aspekt in der Entwicklung der Bioökonomie, weswegen Handelsorganisationen eine Schlüsselrolle innerhalb der Wertschöpfungskette spielen. Die dritte Fallstudie nimmt Zuckerrohr als Beispiel dafür, wie sich Brasilien als der Weltmarktführer in der Zuckerrohrproduktion positioniert, um den Wandel von einem fossilen zu einem biobasierten Wirtschaftssystem zu vollziehen.
Die zwei Länder Ghana und Brasilien wurden als Fallbeispiele gewählt, weil sie eine vergleichbare Nettoprimärproduktivität und vergleichbare pedo-klimatische Bedingungen aufweisen, sich jedoch auf unterschiedlichen Stufen in der Realisierung der Bioökonomie befinden. Zwei Faktoren sind zentral für eine erfolgreiche Entwicklung der Bioökonomie: Biomasse und Wissen. Basierend auf zwei Fallstudien in Ghana untersucht diese Dissertation zuerst die Bemühungen, die Maisproduktivität in der Guinea-Savanne zu erhöhen, und zum zweiten die Rolle von gemeinschaftlich handelnden Gruppen als zentrale Akteure für die Nachhaltigkeit der Bioökonomie. Brasilien hat wichtige Aspekte einer Bioökonomie bereits erfolgreich implementiert, speziell im Zuckerrohrsektor. Deshalb bietet es sich an, in diesem Kontext die Rolle von Institutionen und Netzwerken in der Entwicklung neuer Prozesse und Produkte zu analysieren.
Diese Studie setzt qualitative wie auch quantitative Methoden ein, um die drei wesentlichen Aspekte in der Entwicklung der Bioökonomie Produktion, Marketing und das gesamte Innovationssystem zu adressieren. Die Datenerhebung und -analyse beinhalten Methoden aus verschiedenen Disziplinen. Die Ergebnisse werden in drei Artikeln dargestellt, die gemeinsam diese kumulative Dissertation bilden.
Der erste Artikel arbeitet mit einem interdisziplinären Ansatz. Eine Haushaltsumfrage, Tiefeninterviews und Fokusgruppendiskussionen wurden genutzt, um Daten zu den sozioökonomischen Herausforderungen in der Maisproduktion in der Guinea-Savanne zu erheben. Zusätzlich wurden Boden- und Düngerproben analysiert, um natürliche Einschränkungen und gegebenenfalls bestehende ordnungspolitische Herausforderungen zu identifizieren. Die Ergebnisse dieses Artikels zeigen, dass sowohl sozioökonomische wie auch biophysikalische Parameter eine Rolle spielen für ein verbessertes Verständnis standortsspezifischer Herausforderungen, die zu geringer Maisproduktivität in der Guinea-Savanne Ghanas, führen.
Der zweite Artikel untersucht über Regionen, Ethnien und Marktformen hinweg die Rolle von Marktfrauenverbänden. Für diese Studie wurde ein qualitativer Ansatz gewählt, der teilnehmende Beobachtung und offene Tiefeninterviews mit Händlerinnen beinhaltet. Dieser Artikel konnte den vorherrschenden Diskurs zur Monopolmacht von Marktfrauenverbänden in Ghana nicht empirisch belegen. Die Studie zeigt vielmehr, dass das kollektive Handeln von Marktfrauen zur Schaffung von Sicherheitsnetzen für vermögensschwache Frauen, die an riskanten Marktaktivitäten teilhaben, beiträgt. Der öffentliche negative Diskurs stellt die Marktfrauenverbände jedoch vor Herausforderungen.
Der dritte Artikel analysiert die Rolle von Institutionen und ist fokussiert auf Netzwerke im Zuckerrohrsektor in Brasilien. Diese Studie verbindet das innovative Konzept von Biomass Value-Webs mit dem des Nationalen Innovationssystems. Zur Datenerhebung wurden Tiefeninterviews sowie als partizipative Methode Net-Maps angewandt. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Innovationsnetzwerken für Brasilien, wenn es ein Vorreiter der künftigen Bioökonomie werden möchte. Sie betonen besonders die Notwendigkeit, nationale und internationale Organisationen des Privatsektors zu integrieren und Anreize zur Zusammenarbeit mit Wissensinstitutionen zu schaffen.
Basierend auf diesen Ergebnissen kommt diese Dissertation zu der Schlussfolgerung, dass standortspezifische Lösungen unter Beachtung der Multidisziplinarität von Nutzpflanzenproduktion, Marketing und der Entwicklung von Innovationsprozessen entscheidend sind für den Erfolg der Bioökonomie und gestärkt werden sollten. Schließlich sollte auch Innovationsnetzwerken mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, um den Herausforderungen der Bioökonomie zu begegnen und um das Potenzial der Bioökonomie bestmöglich auszuschöpfen
Performance and governance challenges of a government-funded microcredit program for the handloom weavers in Bangladesh
Get PDFMikrofinanzen, ein Begriff der auch das Konzept von Mikrokrediten umfasst, ist ein wichtiges Politik-Instrument zur Reduzierung von Armut und Generierung von Arbeitsplätzen in vielen sich entwickelnden sowie unterentwickelten Ländern. Das Konzept hat seine Ursprünge im Bangladesh in der Dekade um 1970. Seit seiner Einführung hat sich eine große Zahl von Studien mit verschiedenen Aspekten von Mikrofinanzen befasst. Darunter Aspekte wie Reichweite, Auswirkung, Nachhaltigkeit und verwandte Themen. Allerdings ist die Literatur zu Mikrokrediten im Wesentlichen auf die Messung der Performance von Kreditprogrammen in der Landwirtschaft sowie von Nichtregierungsorganisationen (NGOs) beschränkt. Deswegen argumentiert diese Studie, warum der Kreditfokus von landwirtschaftlicher Unterstützung zu nicht-landwirtschaftlicher Unterstützung und von NGOs zu öffentlichen Kreditprogrammen rücken soll. Dieses Argument wäre nur valide, wenn eine empirische Studie zeigen würde, zu welchen Grad öffentliche Kreditprogramme ländlichen, nicht-landwirtschaftliche Kreditnutzern nutzen. Um diese zu untersuchen, wird hier ein Mikrokredit-Modell des Bangladesh Handloom Board (BHB) (Bangladesh Handwebstuhl Ausschuss) betrachtet. Die Fallstudie repräsentiert ein staatlich-finanziertes Kreditprogramm mit einem Fokus auf Weber mit Handwebstühlen als nicht landwirtschaftliche Haushalte.
Mithilfe von gemischten Methoden (mixed methods), wurden drei Hauptindikatoren von ausgewählten Kreditprogrammen betrachtetet: Auswirkungen (Impact), Rückzahlungsraten und Governance Herausforderungen. Diese drei verschiedenen Analysen repräsentieren die drei verschiedenen Artikel in dieser Thesis. Die ersten beiden wurden mit quantitativen Methoden analysiert; der letzte nutzt einen qualitativen Ansatz um die institutionelle Lebensfähigkeit des Programmes zu bewerten.
Das Ziel des ersten Artikels war es, die Auswirkungen (Impacts) des BHB-Kreditmodells auf Investitionsverhalten von Handwebstuhl-Webern in Bangladesch zu analysieren. Aus Politik-Perspektive ist diese Analyse aus zwei Gründen wichtigen. Erstens, um eine Forschungslücke in der Literatur zu Bewertung von Krediten zu schließen, die bislang den nicht-landwirtschaftlichen Sektor sowie Kreditprogramme von Regierungen ignoriert hat. Zweitens, ermöglicht der Artikel Einblicke in die Förderung von Weiterführungen von öffentlichen Kreditpolitiken basierend auf deren geschätzten Auswirkungen (Impacts). Mithilfe von Instrumentenvariablen (IV) und einem two-stage least squares (2SLS) -Regressionsmodell zeigt diese Studie, dass öffentliche Kredite kein ausreichendes Mittel sind, um die Investitionen im Handwebstuhl-Sektor von Bangladesch zu steigern. Selbst Kredite von anderen Quellen als der BHB zeigen die Risiken von Geldleihen, da die geschätzten Koeffizienten statistisch signifikant und negativ sind. Das Ergebnis bedeutet, dass Kreditnehmer durch den Zugang zu verschiedenen Krediten in eine Kredit-Falle geraten. Nachdem sie die Kreditverpflichtungen mit Zins zurückbezahlt haben stehen sie deswegen ökonomisch schlechter da als zuvor. Deswegen finden durch die Kredit-Initiative keine produktiven Investitionen statt. Das bedeutet nicht, dass das Kreditprogramm beendet werden soll. Die Studie empfiehlt die Höhe von Krediten zur Adoption von Technologien in der Handwebstuhl-Sektor zu erhöhen. Solche Kredite für Webmaschinen werden einen strukturellen Wandel von Handwebstühlen zu Webmaschinen ermöglichen und dadurch nachhaltige Formen des Lebensunterhalts ermöglichen.
Die Auswirkungen von Kredit sollten nur positiv sein, wenn die Kredit-gebende Organisation die erwarteten Dienstleistungen entsprechend der Kreditnehmer-Nachfrage bereitstellen kann. Allerdings fand diese Studie, dass die Rückzahlungsrate des ausgewählten Falles (der als Erfolgsfaktor des Kreditprogrammes gilt) lediglich 65,71 % betrug (Stand Juni 2015). Diese Zahl motivierte diese Studie, eine zweite Analyse durchzuführen, welche die Faktoren, die zu der niedrigen Rückzahlungsrate unter von Regierungen geförderten Mikrokreditprogrammen beitragen, zu analysieren. Das ist essenziell, da die niedrige Rückzahlungsrate die Organisation finanziell un-nachhaltig macht. Die Analyse erbringt wichtige Hinweise zur besseren Gestaltung von Kredit-Politiken (Leih-Bedingungen) von öffentliche Kredit-Instituten durch einen Fokus auf Faktoren, die spezielle Aufmerksamkeit verlangen, wenn Kredite and berechtige Kreditnehmer bereitgestellt werden. Andernfalls, fließt Geld and jemanden der weder in der Lage ist das Geld angemessen zu nutzen noch es zurückzuzahlen. Solcher Transfer von Geld and falsche Klienten führt zu organisatorischer Un-Nachhaltigkeit. Die Ergebnisse der Probit-Modell-Schätzungen zeigen, dass Eigenschaften von Kreditnehmern (sozioökonomische und Faktoren auf Gemeinschaftsebene) eine entscheidende Rolle mit Blick auf die pünktliche Zurückzahlung spielen. Manche dieser Eigenschaften sind außerhalb der Kontrolle von Kredit-Institutionen. In dieser Hinsicht, empfiehlt diese Studie eine Stärkung von Kredit Monitoring Systemen durch das Eröffnen von weiteren Zweigstellen, sodass die Bereitstellung von finanziellen und nicht-finanziellen Dienstleistungen an Kreditnehmer in Zeit sichergestellt werden kann.
Der dritte Artikel beschäftigt sich mit den Governance Herausforderungen des ausgewählten Kredit-Programmes. Die Analyse basiert auf den Ergebnisse der ersten beiden Studien. Da beide Studien wesentliche Schwachstellen des analysierten Programmes gezeigt haben, ist es wichtig zu verstehen, wo und warum die Herausforderungen in der Implementierung von staatlich-geförderten Kreditprogrammen entstehen. Die Analyse hat ebenfalls finanizielle Implikationen für Politik-Überarbeitungen und Re-Frmulierungen, die durch ein besseres Verständnis der organisatorischen Probleme verbessert werden können. Diese wurden durch die Nutzung einer neuen qualitativen Methode, genannt Prozess Net-Map (PNM), beurteilt. Diese Methode hilft, besser zu verstehen, wie Kreditprogramme in der Praxis umgesetzt wurden und inwiefern dies von dem vorgesehenen Implementierungsplan abweicht. Darüber hinaus analysiert diese Studie die Herausforderungen aus der Perspektive von Stakeholdern auf der Angebotsseite sowie Nachfrageseite der untersuchten Kreditprogramme. Das Hauptergebnis des ersten Artikels wird durch die Ergebnisse dieser Studie unterstützt: Sie zeigt, dass ein Fehlen von Geldmitteln eine Hauptherausforderung für die Implementierung von staatlichen Programmen ist, welche die finanziellen Bedürfnisse von Kunden nicht erfüllen. Daneben ist das Fehlen von Arbeitskräften sowie eine unzureichende Administration für das Scheitern verantwortlich. Die Problem werden durch das Fehlen von Anreizen für die Mitarbeiter verstärkt. Politischer Einfluss und Korruption im System sind ebenso zentrale Herausforderungen. Von Seiten der Begünstigtsten sind die wesentlichen Probleme hohe Opportunitätskosten von Krediteintreibung, das Fehlen von nicht-finanziellen Dienstleistungen sowie von adäquaten Geldmitteln und Probleme in der Formierung von Gruppen. Außerdem wurde das Fehlen von Transparenz hinsichtlich von Informationsflüssen zwischen Gruppen notiert. Abschließend findet die Studie, dass nicht fachgerecht entworfene Programme, die die organisations-spezifischen Herausforderungen nicht angemessen adressieren, die Lebensbedingungen der Begünstigten nicht verbessern. Es gibt also einen steigenden Bedarf an öffentlichen Programmen, entsprechende legale und regulatorische Rahmenbedingungen zu entwerfen, um diese Herausforderungen zu meistern. Dabei sollte der Fokus auf flexiblen, Nachfrage-getriebenen (bottom-up) und partizipativen Initiativen liegen.
Insgesamt zeigt die Studie, dass öffentliche Klein-Kreditprogramme tendenziell mit größeren Problemen konfrontiert sind als NGO-geförderte Programme. Die Studie empfiehlt ein verbessertes kollaboratives System zwischen öffentlichen und staatlichen Kredit-Institutionen, so dass beide von den Design- und Implementierungspraktiken des jeweils anderen profitieren können.Microfinance is an important policy tool for poverty reduction and employment generation in developing countries. The first microfinance institution was developed in Bangladesh in the 1970s. Since its inception, many studies have been conducted on different aspects of microfinance, such as outreach, impact and sustainability. However, these studies have mostly been limited to the performance of microcredit programs operated by non-government organizations (NGOs). Therefore, it is justified to shift the focus from NGOs to microcredit programs operated by the public sector. To fill this knowledge gap, a case study of Bangladesh Handloom Board (BHB)s microcredit scheme has been conducted, which represents a publicly sponsored credit program targeting handloom weavers.
Using a mixed methods approach, this thesis has analyzed three dimensions of the selected credit program: impact assessment, repayment performance, and governance challenges. These three topics are covered by three different papers in the thesis. The first two papers apply quantitative techniques whereas the third one adopts a qualitative approach for assessing the institutional viability.
The objective of the first paper is to estimate the impact of BHBs microcredit scheme on the handloom weavers investment behavior in Bangladesh. From a policy perspective, this analysis is relevant for two reasons. First, it fills the gaps in the impact assessment studies of credit which have largely neglected the government-run microcredit programs. Second, the article provides insights for the promotion and continuation of this public credit program. Using an Instrumental Variable (IV) Two-stage Least Squares (2SLS) regression model, the study findings reveal that the government credit program alone is not sufficient to increase the investment in the handloom sector of Bangladesh. The credit received from sources other than BHB was thought to be more relevant with regard to this goal. However, this result also implies that access to multiple sources of credit put borrowers into a debt trap, which makes them economically worse off after repaying loans with interest. As a result, productive investment does not take place through the credit program. This finding, however, does not imply that the credit program should be stopped. It is concluded that the credit amount available under this program for technology adoption in the handloom sector should be increased. Moreover, providing credit for power looms will facilitate a structural change from using handlooms to power looms, which may provide a more sustainable means of future livelihood for current handloom weavers.
The second paper analyses the credit repayment of the BHBs microcredit scheme. Considering that the repayment rate (which is regarded as one of the success factors of the credit program) was only 65% as of June 2015, this study identifies factors that contribute to such low repayment rate, which makes government-sponsored microcredit programs financially unsustainable. This analysis is important to guide the public credit institutions to design a better lending policy by focusing on the factors that require special attention while lending to the eligible borrowers. Using a Probit model, this study reveals that socioeconomic and community-level factors associated with the borrowers played an essential role in determining timely loan repayment. Some of these factors were beyond the control of the credit institution. In conclusion, this study suggests strengthening the loan monitoring system by opening up more branches so that the timely delivery of financial as well as non-financial services to borrowers can be assured.
The third paper examines the governance challenges faced by the BHB. The analysis is based on the findings of the previous two papers. As the findings from both papers highlight the challenges of BHB, it is important to understand why such challenges occur when implementing a government-sponsored credit program and from where they exactly originate. This analysis also has implications for policy revision and reformulation of BHB, which should be guided by a better understanding of the organization-specific problems that a government-funded microcredit program is facing. These challenges are assessed by using a qualitative research method called Process Net-map. The use of this method helps to understand how the credit program is implemented in practice, which may deviate from the prescribed implementation plan. Moreover, this study analyzes the challenges that arise from the perspectives of both the supply-side and the demand-side stakeholders of BHB. The major finding of the first paper is supported by the outcome of this paper as it reveals that shortage of funds was the main obstacle for implementing BHBs microcredit scheme, which failed to meet the clients financial needs. Besides this problem, the shortage of adequate staff was responsible for weak field administration, which is amplified by the lack of incentives to motivate them. Political influence and corruption in the system were also identified as central challenges. From the beneficiary-side, high opportunity cost to get loans, lack of non-financial services, inadequacy of funds, and difficulty in group formation were also major problems. A lack of transparency in information flow between groups was also noted as a problem. This paper concludes that a poorly designed program which fails to address the organization-specific challenges of government-run microcredit program will not improve the livelihood of the intended beneficiaries. Hence, the study recognizes the credit programs need for a better legal and regulatory framework to address the governance challenges that are identified. The focus should be placed on flexible, demand-driven, bottom-up and participatory initiatives.
Overall, the study concludes that government-run microcredit programs, affected by problems from large bureaucracies, face specific challenges, which tend to be larger than those faced by NGO-run microcredit programs. One possible solution may be an enhanced collaborative system that involves both public and private credit institutions as it may encourage cross-sector learning
Gamma-ray spectrometry as auxiliary information for soil mapping and its application in research for development
Get PDFSustainable yield increase is desperately needed for enhancing global food security, in particular, in Sub-Saharan Africa. There population growth and resulting land degradation accompany with extreme weather events. As a consequence, famines frequently occur. For planning result-oriented agricultural research for development (R4D) like in the Trans-Sec project (www.trans-sec.org), in which this thesis was embedded, local environmental, as well as social realities must be taken into account prior to any cropping experiment. Only this way, cost-efficient and adapted solutions for local subsistence farmers, but also conclusive outcomes for researchers, can be obtained. For this purpose, methods that work quick and cost-efficient are a prerequisite.
In this respect, gamma-ray spectrometry as rapid soil survey method is reviewed in the first part of this thesis. Soil or geological exploration are easily accomplishable, in either airborne (with helicopters, airplanes or drones) or proximal (stationary or on-the-go) surveys. Gamma decays of the naturally occurring isotopes 40-potassium (40K), 238-uranium (238U) and 232-thorium (232Th) that appear in sufficient amounts and decay energies for field measurements are counted per time. The counts are then transferred to the respective element contents. Water and soil organic matter attenuate gamma signals, on one hand hampering signal interpretation, on the other hand indirectly enabling soil water content and peat mappings. Gamma-ray signatures of soils depend on (1) mineral composition of the bedrock, as well as (2) weathering intensity and related soil forming processes, that, in turn, influence the environmental fate of 40K, 238U and 232Th. Hence, due to soil formation heterogeneity at the landscape scale, resulting gamma signatures are locally specific and make soils readily distinguishable.
In two villages in central Tanzania, participatory soil mapping in combination with gamma-ray spectrometry served as rapid and reliable approach to map local soils for later cropping experiments. Local farmers indicated major soil types on satellite images of the village area, which were the basis for further mapping steps. Fingerprint gamma-ray signatures of reference soil profiles were collected. Subsequent gamma-ray surveys on transect walks accelerated soil unit delineation for the final soil map. Challenges were misunderstandings related to language issues, variable soil knowledge of individual farmers and erosion leading to staggered soil profiles and non-distinctive signatures in some places. The combination of indigenous knowledge and gamma-ray spectrometry, nevertheless, led to a quick overview of the study area and made laboratory soil analyses largely redundant.
The gained gamma-ray signal information were further statistically evaluated. For this purpose, distinction of major local soil types via K/Th ratios were graphically and statistically tested. The results showed that gamma-ray spectrometry is a sound method to distinguish certain local clay illuviation soil types by their K/Th ratios.
The last part of the thesis covers the Trans-SEC approach of testing innovations for sustainable agricultural yield increase. Pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R.Br.) as the typical staple food in the study region was used as example crop. The process was scientist-led but local farmers selected the innovations that they considered adequate to their needs. Tied ridging for enhancing the water storage and placed fertilizer for increasing fertilizer efficiency was offered for their choice. Transferability of results from on-station experiments and demonstration plots in the village to farmers plots and trans-disciplinary issues are discussed. The number of factors that influence the result, as well as data insecurity increased with every level of spatial aggregation (on-station, demonstration plot and on-farm plots in the village). Soil type, position of the plot in the landscape (lateral water flow, distance to homesteads and, hence, fertility status) were the major influencing factors. In particular, the data insecurity related to on-farm trials due to low control intensity suggests to only conduct such experiments if large numbers of replicates (large N-trials) are feasible in future approaches.
In conlusion, the thesis shows, that local knowledge combined with modern science is beneficial for agricultural R4D projects. Shortcomings within the transdisciplinary experimental approaches are pointed out. In particular, with respect to knowledge gained from the linkage of local experience and scientific approaches, there is still high potential. For this purpose, social and applied natural sciences should both strive for more interdisciplinary collaboration.Eine nachhaltige Ertragssteigerung zur Verbesserung der globalen Ernährungssicherung ist dringend notwendig, besonders in Subsahara-Afrika. Dort gehen starkes Bevölkerungswachstum und daraus resultierende Bodendegradation mit extremen Wetterereignissen einher. Als Folge treten gehäuft Hungersnöte auf. Die Planung ergebnisorientierter landwirtschaftlicher Forschungsprojekte mit Entwicklungsansätzen wie beim Trans-SEC-Projekt (www.trans-sec.org), in das diese Arbeit eingebunden war, erfordert die Berücksichtigung lokaler Umweltbedingungen, aber auch soziokultureller Gegebenheiten vor Feldversuchen. Erst so sind kostengünstige, adaptierte Lösungen für ansässige Subsistenzbauern, aber auch aussagefähige Ergebnisse für Forscher zu erzielen. Eine Methode zur raschen Bodenkartierung, die Gammaspektrometrie, wird im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Anwendbarkeit und Grenzen für die bodenkundliche Anwendung werden diskutiert. Bodenkundliche Erkundungen sind mit dieser Methode luftgestützt (z.B. mit Helikoptern oder Drohnen) oder bodengestützt (stationär oder in Bewegung) in kurzer Zeit durchführbar. Gammazerfälle der natürlich vorkommenden Isotope 40-Kalium, 232-Thorium und 238-Uran, mit ausreichender Zerfallsenergie und Menge zur Messung im Feld, werden pro Zeiteinheit erfasst. Die spezifischen Zählraten werden dann in Elementgehalte umgerechnet. Wasser und organische Bodensubstanz schwächen das Signal, was die Signalinterpretation erschwert, aber indirekt Wassergehalts- und Torfkartierungen ermöglicht. Die Gammasignaturen von Böden hängen von (1) der mineralischen Zusammensetzung des Ausgangsgesteins, sowie (2) der Verwitterungsintensität und den damit verknüpften bodenbildenden Prozessen ab, die wiederum das Umweltverhalten der Radionuklide beeinflussen. Somit sind Gammasignaturen wegen der heterogenen Bodenbildung für lokale Umwelten spezifisch und machen Böden direkt unterscheidbar.
Zur Bodenkartierung zweier Dörfer in Zentraltansania bewährte sich die Kombination aus partizipativer Bodenkartierung und Gammaspektrometrie. Ansässige Landwirte zeichneten die lokal vorkommenden Hauptbodengruppen als Basis für weitere Kartierungsschritte auf hochaufgelösten Satellitenbildern der Gegend ein. Die spezifischen Gammasignaturen von Referenzbodenprofilen wurden gemessen. Die Abgrenzung der Bodeneinheiten für die finale Bodenkarte erfolgte durch Transektkartierung unterstützt durch gammaspektrometrische Messungen. Unterschiedliche Kenntnisse der ansässigen Landwirte zu den lokalen Böden, sprachliche Unklarheiten, sowie Bodenüberlagerungen aufgrund von Erosion und resultierende schlechter unterscheidbare Bodensignaturen erschwerten den Kartierungsprozess. Der Ansatz führte dennoch zu einem raschen Überblick über das Untersuchungsgebiet und machte aufwändige Laboranalysen der Bodenproben größtenteils überflüssig.
Die gammaspektrometrisch gemessenen K/Th-Verhältnisse der lokal vorkommenden Hauptbodengruppen wurden grafisch und statistisch näher untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine gute Unterscheidbarkeit einiger lokal vorkommender Tonverlagerungsböden.
Der letzte Teil der Arbeit behandelt den Trans-SEC Projektansatz zur nachhaltigen Ertragssteigerung. Perlhirse (Pennisetum glaucum (L.) R.Br.) wurde als typisches Grundnahrungsmittel im Untersuchungsgebiet für diese Untersuchungen genutzt. Wissenschaftler leiteten den Prozess, die ansässigen Landwirte wählten jedoch die zu testenden Innovationen bzgl. des Feldmanagements, angepasst an ihre Bedürfnisse aus. Als Optionen wurden tied ridging als Maßnahme zur Erhöhung der Wasserspeicherung und placed fertilizer zur Erhöhung der Düngereffizienz angeboten. Die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse einer Versuchsstation mit kontrollierten Bedingungen, auf Demonstrationsflächen im Dorf und Versuchsflächen on-farm unter Aufsicht der Landwirte wird diskutiert. Es zeigte sich, dass die Anzahl der Faktoren, die einen Einfluss auf das Versuchsergebnis haben und die Datenunsicherheit mit jeder räumlichen Aggregierungsebene (Versuchsstation, Demonstrationsfelder und on-farm Felder im Dorf) ansteigen. Als wichtige Faktoren wurden Bodentyp und Position des Versuchsfeldes in der Landschaft (Zuflusswasser, Distanz zu Siedlungen und damit Trophie) identifiziert. Insbesondere die Datenunsicherheit on-farm aufgrund niedriger Kontrollintensität legt nahe, solche Versuche nur durchzuführen wenn große Wiederholungsanzahlen möglich sind.
Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Kombination aus lokalem Wissen und moderner Forschung von Vorteil für landwirtschaftliche Entwicklungsprojekte ist. Schwächen innerhalb der transdisziplinären Versuchsansätze werden aufgezeigt. Gerade hinsichtlich des Wissensgewinns durch Verknüpfung lokalen Wissens mit wissenschaftlichen Ansätzen kann potenziell noch viel getan werden. Hierzu sollte - von beiden Seiten - mehr interdisziplinäre Zusammenarbeit der Sozial- und angewandten Naturwissenschaften angestrebt werden
Crop plant reconstruction and feature extraction based on 3-D vision
Get PDF3-D imaging is increasingly affordable and offers new possibilities for a more efficient agricul-tural practice with the use of highly advances technological devices. Some reasons contrib-uting to this possibility include the continuous increase in computer processing power, the de-crease in cost and size of electronics, the increase in solid state illumination efficiency and the need for greater knowledge and care of the individual crops. The implementation of 3-D im-aging systems in agriculture is impeded by the economic justification of using expensive de-vices for producing relative low-cost seasonal products. However, this may no longer be true since low-cost 3-D sensors, such as the one used in this work, with advance technical capabili-ties are already available.
The aim of this cumulative dissertation was to develop new methodologies to reconstruct the 3-D shape of agricultural environment in order to recognized and quantitatively describe struc-tures, in this case: maize plants, for agricultural applications such as plant breeding and preci-sion farming. To fulfil this aim a comprehensive review of the 3-D imaging systems in agricul-tural applications was done to select a sensor that was affordable and has not been fully inves-tigated in agricultural environments. A low-cost TOF sensor was selected to obtain 3-D data of maize plants and a new adaptive methodology was proposed for point cloud rigid registra-tion and stitching. The resulting maize 3-D point clouds were highly dense and generated in a cost-effective manner. The validation of the methodology showed that the plants were recon-structed with high accuracies and the qualitative analysis showed the visual variability of the plants depending on the 3-D perspective view. The generated point cloud was used to obtain information about the plant parameters (stem position and plant height) in order to quantita-tively describe the plant. The resulting plant stem positions were estimated with an average mean error and standard deviation of 27 mm and 14 mm, respectively. Additionally, meaning-ful information about the plant height profile was also provided, with an average overall mean error of 8.7 mm. Since the maize plants considered in this research were highly heterogeneous in height, some of them had folded leaves and were planted with standard deviations that emulate the real performance of a seeder; it can be said that the experimental maize setup was a difficult scenario. Therefore, a better performance, for both, plant stem position and height estimation could be expected for a maize field in better conditions. Finally, having a 3-D re-construction of the maize plants using a cost-effective sensor, mounted on a small electric-motor-driven robotic platform, means that the cost (either economic, energetic or time) of gen-erating every point in the point cloud is greatly reduced compared with previous researches.Die 3D-Bilderfassung ist zunehmend kostengünstiger geworden und bietet neue Möglichkeiten für eine effizientere landwirtschaftliche Praxis durch den Einsatz hochentwickelter technologischer Geräte. Einige Gründe, die diese ermöglichen, ist das kontinuierliche Wachstum der Computerrechenleistung, die Kostenreduktion und Miniaturisierung der Elektronik, die erhöhte Beleuchtungseffizienz und die Notwendigkeit einer besseren Kenntnis und Pflege der einzelnen Pflanzen. Die Implementierung von 3-D-Sensoren in der Landwirtschaft wird durch die wirtschaftliche Rechtfertigung der Verwendung teurer Geräte zur Herstellung von kostengünstigen Saisonprodukten verhindert. Dies ist jedoch nicht mehr länger der Fall, da kostengünstige 3-D-Sensoren, bereits verfügbar sind. Wie derjenige dier in dieser Arbeit verwendet wurde.
Das Ziel dieser kumulativen Dissertation war, neue Methoden für die Visualisierung die 3-D-Form der landwirtschaftlichen Umgebung zu entwickeln, um Strukturen quantitativ zu beschreiben: in diesem Fall Maispflanzen für landwirtschaftliche Anwendungen wie Pflanzenzüchtung und Precision Farming zu erkennen. Damit dieses Ziel erreicht wird, wurde eine umfassende Überprüfung der 3D-Bildgebungssysteme in landwirtschaftlichen Anwendungen durchgeführt, um einen Sensor auszuwählen, der erschwinglich und in landwirtschaftlichen Umgebungen noch nicht ausgiebig getestet wurde. Ein kostengünstiger TOF-Sensor wurde ausgewählt, um 3-D-Daten von Maispflanzen zu erhalten und eine neue adaptive Methodik wurde für die Ausrichtung von Punktwolken vorgeschlagen. Die resultierenden Mais-3-D-Punktwolken hatten eine hohe Punktedichte und waren in einer kosteneffektiven Weise erzeugt worden. Die Validierung der Methodik zeigte, dass die Pflanzen mit hoher Genauigkeit rekonstruiert wurden und die qualitative Analyse die visuelle Variabilität der Pflanzen in Abhängigkeit der 3-D-Perspektive zeigte. Die erzeugte Punktwolke wurde verwendet, um Informationen über die Pflanzenparameter (Stammposition und Pflanzenhöhe) zu erhalten, die die Pflanze quantitativ beschreibt. Die resultierenden Pflanzenstammpositionen wurden mit einem durchschnittlichen mittleren Fehler und einer Standardabweichung von 27 mm bzw. 14 mm berechnet. Zusätzlich wurden aussagekräftige Informationen zum Pflanzenhöhenprofil mit einem durchschnittlichen Gesamtfehler von 8,7 mm bereitgestellt. Da die untersuchten Maispflanzen in der Höhe sehr heterogen waren, hatten einige von ihnen gefaltete Blätter und wurden mit Standardabweichungen gepflanzt, die die tatsächliche Genauigkeit einer Sämaschine nachahmen. Man kann sagen, dass der experimentelle Versuch ein schwieriges Szenario war. Daher könnte für ein Maisfeld unter besseren Bedingungen eine besseres Resultat sowohl für die Pflanzenstammposition als auch für die Höhenschätzung erwartet werden. Schließlich bedeutet eine 3D-Rekonstruktion der Maispflanzen mit einem kostengünstigen Sensor, der auf einer kleinen elektrischen, motorbetriebenen Roboterplattform montiert ist, dass die Kosten (entweder wirtschaftlich, energetisch oder zeitlich) für die Erzeugung jedes Punktes in den Punktwolken im Vergleich zu früheren Untersuchungen stark reduziert werden
Keynesian capital theory : declining interest rates and persisting profits
Get PDFThe current debate whether zero interest rates are caused by a saving glut or a liquidity glut is resolved by the distinction between the market and the natural rate, where saving affects only the latter variable, and monetary policy mainly the first. This topic is linked to a second one: the monetary determination of the rate of profit in Keynesian capital theory. Both topics merge in a critical review of Keyness vision of the "euthanasia of the rentier". The data show however that we have not reached a state of capital satiation. The rising gap between the rate of profit and the rate of interest poses a challenge for capital theory
International digital currencies and their impact on monetary policy : an exploration of implications and vulnerability
Get PDFThe objective of this discussion paper is to explore the consequences for monetary policy from the establishment of an international digital currency modeled like Libra. For this purpose, a basic assessment of the behavior of economic agents is conducted and possible conflicts with monetary policy are analyzed. Furthermore, a simple approach is developed to estimate the nature and extent of vulnerability for 42 currencies. The results suggest that currencies from developing countries and from developed nations are vulnerable in different ways. In the end, a stronger convergence of central bank policies could result. Thus, the introduction of an international digital currency represents a turning point for monetary policy
Measuring and modelling carbon stocks in rubber (Hevea brasiliensis) dominated landscapes in Subtropical China
Get PDFRubber plantation has been rapidly expanded in Montane Mainland South East Asia in past decades. Limited by long-term monitoring data availability, the impacts of environmental change on rubber trees carbon stock development still not fully understood. Against global warming background, in order to better facilitate regional forest management, we applied synergetic approach combining field survey and modelling tools to improve predictions of dynamic carbon stock changes. The trade-off analysis regarding to rubber carbon stock and latex production optimization was further discussed in view of sustainable rubber cultivation.
The first study explored the impact of regional land-use changes on landscape carbon balances. The Naban River Watershed National Nature Reserve (NRWNNR), Xishuangbanna, China, was selected as a case study location. Carbon stocks were evaluated using the Rapid Carbon Stock Appraisal (RaCSA) method based on tree, plot, land use and landscape level assessments of carbon stocks, integrating field sampling with remote sensing and GIS technology. The results showed that rubber plantations had larger time-averaged carbon stocks than non-forest land use types (agricultural crops, bush and grassland) but much lower than natural forest. During 23 years (1989-2012), the whole landscape of the nature reserve (26574 ha) gained 0.644 Tg C. Despite rubber expansion, the reforestation activities conducted in NRWNNR were able to enhance the carbon stocks.
Regional evaluation of the carbon sequestration potential of rubber trees depends largely on the selection of suitable allometric equations and the biomass-to-carbon conversion factor. The second study developed generic allometric equations for rubber trees, covering rotation lengths of 4-35 years, within elevation gradient of 621-1,127 m, and locally used rubber tree clones (GT1, PRIM600, Yunyan77-4) in mountainous South Western China. Allometric equations for aboveground biomass (AGB) estimations considering diameter at breast height (DBH), tree height, and wood density were superior to other equations. We also tested goodness of fit for the recently proposed pan-tropical forest model. The results displayed that prediction of AGB by the model calibrated with the harvested rubber tree biomass and wood density was more accurate than the results produced by the pan-tropical forest model adjusted to local conditions. The relationships between DBH and height and between DBH and biomass were influenced by tapping, therefore biomass and C stock calculations for rubber have to be done using species-specific allometric equations. Based on the analysis of environmental factors acting at the landscape level, we noticed that above- and belowground carbon stocks were mostly affected by stand age, soil clay content, aspect, and planting density. The results of this study provide reference for reliable carbon accounting in other rubber-cultivated regions.
In the last study, we explored how rubber trees growth and production response to climate change and regional management strategies (cultivation elevation, planting density). We applied the process-based Land Use Change Impact Assessment tool (LUCIA) calibrated with detailed ground survey data to model tree biomass development and latex yield in rubber plantations at the tree, plot and landscape level. Model simulation showed that during a 40-year rotation, lowland rubber plantations (< 900m) grew quicker and had larger latex yield than highland rubber (≧900m). High planting density rubber plantations showed 5% higher above ground biomass than those at low- and medium-planting density. The mean total biomass and cumulative latex yield per tree over 40 years increased by 28% and 48%, respectively, when climate change scenarios were modelled from baseline to highest CO2 emission scenario (RCP 8.5). The same trend of biomass and latex yield increase with climate change was observed at plot level. Denser plantations had larger biomass, but the cumulative latex production decreased dramatically. The spatially explicit output maps produced during modelling could help maximize carbon stock and latex production of regional rubber plantations.
Overall, rubber-based system required for appropriate monitoring scale in both temporal aspect (daily-, monthly-, and yearly-level) and in spatial aspect (pixel-, land use-, watershed-, and landscape- level). The findings from present study highlighted the important application of ecological modelling tools in nature resources management. The lessons learned here could be applicable for other rubber-cultivated regions, by updating with site-specific environmental variables. The significant role of rubber tree not limited in its nature latex production, it also lies in its great carbon sequestration potential. Our results here provided entry point for future developing comprehensive climate change adaption and mitigation strategies in South East Asia. By making use of interdisplinary cooperation, the sustainable rubber cultivation in Great Mekong Regions could be well realized.In den vergangenen Jahrzehnten wurde der Kautschukanbau in den Bergregionen des südostasiatischen Festlandes rasch ausgebaut. Die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Entwicklung des Kohlenstoffbestandes von Kautschukbäumen sind durch die eingeschränkte Verfügbarkeit von Langzeit-Monitoring-Daten noch nicht vollständig geklärt. Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung und um die regionale Waldbewirtschaftung zu unterstützen, haben wir einen synergetischen Ansatz angewandt, der Feldmessungen und Modellierungswerkzeuge kombiniert, um die Vorhersage dynamischer Veränderungen der Kohlenstoffbestände zu verbessern. Die Kosten-Nutzen Abwägung für einen nachhaltigen Kautschukanbau bezüglich der Kautschuk-Kohlenstoffvorräte und der Optimierung der Latexproduktion wird im Weiteren diskutiert.
Die erste Studie untersuchte die Auswirkungen regionaler Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffbilanz der Landschaft. Das Naban River Watershed National Nature Reserve (NRWNNNR), Xishuangbanna, China, wurde als Fallstudienstandort ausgewählt. Die Bewertung der Kohlenstoffvorräte erfolgte mit der Rapid Carbon Stock Appraisal (RaCSA)-Methode. Diese basiert auf der Bewertung von Kohlenstoffvorräten auf dem Niveau von Bäumen, Grundstücken, Landnutzung und Landschaft, mit Einbindung von Feldprobennahme verbunden mit Fernerkundung und GIS-Technologie. Die Ergebnisse zeigten, dass Kautschukplantagen einen größeren zeitgemittelten Kohlenstoffvorrat hatten als nicht-forstliche Landnutzungsarten (Ackerland, Busch- und Grünland), aber viel weniger als natürliche Wälder. Während 23 Jahren (1989-2012) gewann das gesamte Gebiet des Naturschutzgebietes (26574 ha) 0,644 Tg C hinzu. Trotz Ausdehnung der Kautschukanbauflächen konnten die Aufforstungsaktivitäten in NRWNNR die Kohlenstoffvorräte erhöhen.
Die regionale Bewertung des Kohlenstoffsequestrierungspotenzials von Kautschukbäumen hängt wesentlich von der Auswahl geeigneter allometrischer Gleichungen und des Biomasse-Kohlenstoff-Umwandlungsfaktors ab. Die zweite Studie entwickelte allgemeine allometrische Gleichungen für Kautschukbäume, basierend auf Daten aus Kautschukplantagen mit Umtriebszeiten von 4-35 Jahren, Höhenlagen von 621-1.127 m und lokal verwendeten Kautschukbaumklonen (GT1, PRIM600, Yunyan77-4) im bergigen Südwesten Chinas. Allometrische Gleichungen zur Berechnung der oberirdischen Biomasse (AGB), welche den Durchmesser in Brusthöhe (DBH), Baumhöhe und Holzdichte berücksichtigten, waren anderen Gleichungen überlegen. Wir haben auch die Anpassungsgüte des kürzlich vorgeschlagene pan-tropische Waldmodell getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorhersage der AGB durch das mit der destruktiv bestimmten Biomasse und der Holzdichte kalibrierte Modell genauer war als die Ergebnisse des pan-tropischen Waldmodells, das an die lokalen Bedingungen angepasst wurde. Die Beziehungen zwischen DBH und Höhe, und DBH und Biomasse wurden durch die Anzapfung der Bäume beeinflusst. Aufgrund dessen müssen Biomasse- und C-Bestandsberechnungen für Kautschuk mit artspezifischen allometrischen Gleichungen durchgeführt werden. Basierend auf der Analyse von Umweltfaktoren, die auf Landschaftsebene wirken, stellten wir fest, dass die ober- und unterirdischen Kohlenstoffvorräte vor allem durch das Bestandsalter, den Tongehalt des Bodens, die Hanglage und die Pflanzdichte beeinflusst wurden. Die Ergebnisse dieser Studie liefern Anhaltspunkte für eine zuverlässige Kohlenstoffbilanzierung in anderen Kautschukanbaugebieten.
In der letzten Studie haben wir untersucht, wie Kautschukbäume auf den Klimawandel und regionalen Managementstrategien (Anbauhöhe, Pflanzdichte) reagieren. Wir setzten das prozessbasierte Land Use Change Impact Assessment Tool (LUCIA) ein, das mit detaillierten Bodenuntersuchungsdaten kalibriert wurde, um die Entwicklung der Baumbiomasse und den Latexertrag in Kautschukplantagen auf Baum-, Parzelle- und Landschaftsebene zu modellieren. Die Modellsimulation zeigte, dass während einer 40-jährigen Rotationzeit die Flachland-Kautschukplantagen (< 900m) schneller wuchsen und eine höhere Latexausbeute hatten als die Hochland-Kautschukplantagen (≧900m). Kautschukplantagen mit hoher Pflanzdichte zeigten eine um 5% höhere oberirdische Biomasse als solche mit niedriger und mittlerer Pflanzdichte. Der durchschnittliche Gesamtertrag an Biomasse und der kumulative Latexertrag pro Baum stieg in 40 Jahren um 28% bzw. 48%, wenn die Klimaszenarien vom Basisszenario bis zum höchsten CO2-Emissionsszenario (RCP 8. 5) durchsimuliert wurden. Dieser Trend der Zunahme der Biomasse- und Latexausbeute mit verstärktem Klimawandel wurde auch auf der Ebene der Parzelle beobachtet. Dichtere Plantagen hatten eine größere Biomasse, aber die kumulative Latexproduktion ging drastisch zurück. Die während der Modellierung erstellten räumlich expliziten Output-Karten könnten helfen, die Kohlenstoffvorräte und die Latexproduktion regionaler Kautschukplantagen zu maximieren.
Allgemein ist für ein angemessenes Monitoring ein Kautschuk-basiertes System erforderlich, das sowohl in zeitlicher Hinsicht (Tages-, Monats- und Jahresebene) als auch in räumlicher Hinsicht (Pixel-, Landnutzungs-, Wassereinzugs- und Landschaftsebene) geeignet ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie verdeutlichen die Bedeutung ökologischer Modellierungswerkzeuge im Naturressourcenmanagement. Die hier gemachten Erfahrungen könnten auch auf andere Kautschukanbaugebiete übertragen werden, indem sie mit standortspezifischen Umweltvariablen aktualisiert werden. Die bedeutende Rolle des Kautschukbaums ist nicht nur auf dieHerstellung von Naturlatex beschränkt, sondern liegt auch in seinem großen Potenzial zur Kohlenstoffbindung. Unsere Ergebnisse lieferen den Ausgangspunkt für die künftige Entwicklung umfassender Strategien zur Anpassung an den Klimawandel und zur Eindämmung des Klimawandels in Südostasien. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit könnte der nachhaltige Kautschukanbau in den Großen Mekong-Regionen realisiert werden
Nutritional evaluation of oilseed press cakes in fish nutrition with emphasis on rainbow trout (Oncorhynchus mykiss, W.)
Get PDFFishmeal is a valuable, protein rich ingredient for fish feed. It is a source of highly digestible crude protein (CP) with a balanced amino acid (AA) profile, well digestible inorganic phosphorus (P), and a highly digestible energy content. However, its availability is decreasing owing to an increasing demand that is driven by the increased production of fish in feed-based production systems. Research has made great advances in counteracting the limited supply of fishmeal. As a result, the majority of dietary CP in fish feed is made available from oilseeds and their processed by-products. Despite the pre-existing research efforts, the continuous evaluation of feed ingredients in search for alternatives to fishmeal is key to facilitate a sustainable growth of feed-based fish production.
Oilseed press cake represents a widely available source of CP. While numerous studies have evaluated the nutritional value of press cake in fish feed, the majority focused on species reared in warmwater production systems. Thus, the objective of this thesis was to add to pre-existing knowledge on press cake and its potential to replace fishmeal in fish feed, with special emphasis on rainbow trout (Oncorhynchus mykiss W.).
Initially the nutrient digestibility of various press cakes (linseed, pumpkin seed, rapeseed, soybean, sunflower seed, and walnut kernel cake) was determined in rainbow trout. The press cakes differed greatly in their digestibility of crude nutrients, with CP digestibility ranging from as low as 25% (sunflower seed cake) up to 88% (pumpkin seed cake). Another digestibility experiment was conducted using rapeseed cake and sunflower seed cake whose fibre fractions were reduced using two different processing methods (sieving and dehulling of seeds prior to pressing). The fibre-reduced press cake of rapeseed and sunflower seed cake had a substantially higher CP digestibility than their unprocessed counterpart (Manuscript 1).
Three growth experiments were conducted to study the effect of partial replacement of fishmeal with press cake on performance traits of rainbow trout. In all growth experiments groups of rainbow trout were fed with either a basal diet or diets in which fishmeal CP was in part replaced by press cake based on its CP digestibility that was determined in the preceding digestibility experiments. It was found that the performance traits were influenced to a different extent in dependence of the press cake and their inclusion level. Pumpkin seed cake has been shown to have the highest potential to replace substantial amounts of fishmeal of the basal diet without significantly reducing performance traits of rainbow trout.
To investigate the potential utilisation of InsP-P and the formation of inositol phosphate isomers in fish two experiments were conducted. The single and interactive effects of a mineral P supplement (monoammonium phosphate; MAP; 1 g P/kg DM of diet) and an InsP6 hydrolysing enzyme (Aspergillus oryzae 6-phytase; 2800 FTU/kg DM diet) were compared between rainbow trout and Atlantic salmon (Salmo salar). For each species a digestibility experiment was conducted under common rearing conditions of each species but using the same four diets (basal diet, basal diet + MAP, basal diet + phytase, and basal diet + MAP + phytase).
The faecal disappearance of InsP6 was generally low (approximately 8%) but similar between the species when the diets were devoid of either supplement. The supplementation of phytase significantly increased InsP6 disappearance in both species, but the effect was found to be more pronounced in rainbow trout. The analysis of lower inositol phosphate isomers revealed that their hydrolysis progressed to a greater extent in rainbow trout and it suggested that InsP6 is subject to a different degradation pathway in the two species. While no significant interactive effects on InsP6 disappearance were found between the two supplements for either species, the MAP supplementation slightly decreased InsP6 disappearance in Atlantic salmon but not in rainbow trout. The experiments provide an insight into the breakdown of InsP6 and the faecal appearance of specific lower inositol phosphates and suggest that the use of press cake in feed for rainbow trout seems to be more beneficial than in feed for Atlantic salmon with regards to a more sustainable use of P resources. However, more experiments are recommended to complement these initial findings to gain a better understanding of InsP6 hydrolysis in fish.Fischmehl ist ein wertvoller Proteinträger für die Herstellung von Fischfuttermitteln. Es beinhaltet hochverdauliches Rohprotein (XP) mit einem ausgewogenen Aminosäuremuster (AS), gut verdaulichem anorganischen Phosphor (P) und hat einen hochverdaulichen Bruttoenergiegehalt. Durch den ansteigenden Bedarf von Fischfuttermitteln und stagnierenden Wildfangmengen sinkt jedoch die Verfügbarkeit des Fischmehls.
Dank intensiver Forschung wird bereits der größte Teil des benötigten XP in Fischfuttermitteln in Form von pflanzlichem XP von Ölsaaten und deren Koppelprodukten bereitgestellt. Ziel dieser Doktorarbeit war es, zusätzliche Daten über Presskuchen und deren Potenzial als Fischmehlsubstitut in Fischfuttermitteln für Regenbogenforellen (Oncorhynchus mykiss W.) zu gewinnen.
Zunächst wurde die Nährstoffverdaulichkeit verschiedener Presskuchen (Lein-, Kürbiskern-, Raps-, Sonnenblumenkern-, Soja- und Walnusskernpresskuchen) in Regenbogenforellen bestimmt. Die XP-Verdaulichkeit der Presskuchen wies starke Unterschiede auf (Manuskript 1 und 2) und variierte von 25% (Sonnenblumenpresskuchen) bis zu 88% (Kürbiskernpresskuchen). Ferner wurde die Nährstoffverdaulichkeit von Presskuchen von Rapssaat und Sonnenblumenkernen, deren Faserfraktionen entweder durch Sieben der Presskuchen oder Schälen der Saat vor dem Pressen reduziert wurden, untersucht. Die faser-reduzierten Presskuchen von Rapssaat und Sonnenblumenkernen hatten eine deutlich höhere XP-Verdaulichkeit als die unbehandelten Presskuchen (Manuskript 1).
In drei Wachstumsversuchen wurde evaluiert inwiefern sich Presskuchen eignet Fischmehl in Futtermitteln für Regenbogenforellen zu ersetzen. Hierbei wurde der Fischmehlanteil in Basalrationen zu verschiedenen Anteilen mit verschiedenen Presskuchen, jeweils auf Basis der XP-Verdaulichkeit, ersetzt und erfasste Leistungsparameter der Fische miteinander verglichen. Die Effekte auf die Leistungsparameter hingen maßgeblich von den verwendeten Presskuchen und deren eingesetzter Konzentration ab. Kürbiskernpresskuchenprotein zeigte das Potenzial am meisten Fischmehlprotein zu ersetzen ohne die Leistungsparameter der Regenbogenforellen signifikant zu verringern.
In Pflanzensamen, und somit auch in Presskuchen, liegt P überwiegend in Form von Myo-Inositol 1,2,3,4,5,6-hexakisdihydrogenphosphat; InsP6) oder dessen Salzen (Phytat) vor. Da InsP6 eine für Fische nur geringfügig hydrolysierbare Form von P ist, wird Futtermitteln mit hohen Anteilen pflanzlicher Komponenten gewöhnlich mineralischer P zugegeben, dessen Ressourcen jedoch begrenzt sind. Der Einsatz von Phytasen kann die InsP6-P Verfügbarkeit in Fischen erhöhen und somit die endlichen mineralischen P-Ressourcen entlasten. Um das Potenzial von InsP-P als P-Quelle und dessen Abbau in Fischen näher zu untersuchen wurden zwei Experimente durchgeführt. Die Effekte und Interaktionen der Zulage eines mineralischen P-Supplements (Monoammoniumphosphat; MAP; 1 g P/kg TM) und eines InsP6-hydrolysierenden Enzyms (Aspergillus oryzae 6-Phytase; 2800 FTU/kg TM) wurden zwischen Regenbogenforellen und atlantischen Lachsen (Salmo salar) verglichen. Es wurde für jede Spezies ein Verdaulichkeitsversuch unter jeweils gewöhnlichen Haltungsbedingungen durchgeführt und dieselben vier Futtermittel (Basalration, Basalration + MAP, Basalration + Phytase und Basalration + MAP + Phytase) eingesetzt.
Der native Abbau des InsP6 war in beiden Fällen vergleichbar gering (ca. 8%). Die Zulage der Phytase erhöhte den InsP6-Abbau signifikant, in Regenbogenforellen jedoch zu einem höheren Ausmaß. Die Analyse der niederen Inositolphosphatisomere deutete auf unterschiedliche Abbauwege des InsP6 zwischen den Spezies hin. Ferner war der InsP6-Abbau in Regenbogenforellen weiter fortgeschritten als in atlantischen Lachsen. Es wurden in beiden Spezies keine signifikanten interaktiven Effekte der beiden Supplemente auf den InsP6-Abbau festgestellt. Die MAP-Zulage verringerte jedoch den InsP6 -Abbau bei atlantischen Lachsen leicht. Diese Versuche liefern erste Ergebnisse bezüglich des InsP6-Abbaus und der Formation niederer Inositolphosphatisomere im Kot von Fischen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Presskuchen, bezüglich der P-Verwertung, in Forellenfuttermitteln aussichtsreicher erscheint als in Futtermitteln für atlantische Lachse. Weitere Versuche müssen jedoch unternommen werden, um diese Ergebnisse zu ergänzen und den InsP6-Abbau in Fischen besser nachzuvollziehen
Nitrogen dynamics in organic and conventional farming systems in the sub-humid highlands of central Kenya
Get PDFNitrogen (N) deficit is one of the limiting factors to food security in most developing countries while the excessive use of N has resulted in environmental contamination. Timely N availability, at the right rate is crucial to improving crop yield and N use efficiency in farming systems. Therefore, understanding nitrogen dynamics under different farming systems is essential to improve N use and recovery efficiencies of crops and in addressing environmental impacts associated with increased use of inorganic and organic inputs. This study focused on N dynamics in conventional (Conv) and organic (Org) farming systems as practiced by small scale farmers (at ∼50 kg N ha−1yr−1, Low input) and at recommended levels of input (∼225 kg N ha−1yr−1, High input) for commercial use in the sub humid and humid regions of Central Kenya. Data was collected during three cropping seasons between October 2012 and March 2014 in an on-going long-term trial established since 2007 at Chuka and at Thika sites located in central highlands of Kenya. Mineral N-based fertilizer and cattle manure were applied in Conv-High and Conv-Low while composts and other organic inputs were applied at similar N rates for Org-High and Org-Low. Farming systems were laid down in a randomized complete block design with 4 and 5 replications at Chuka and Thika respectively. The trial follows a 2 season-three-year crop rotation envisaging maize, legumes, vegetables and potatoes.
N mineralization was studied using a modified buried bag approach while N loss was measured using Self-Integrating Accumulator (SIA) cores. N synchrony was assessed using daily N flux differences constructed as daily N release minus daily N uptake at different stages of the crops. N uptake was assessed at various stages of the crop through destructive sampling while nitrogen use efficiency (NUE) was assessed at harvest. Surface N balances were constructed using N applied as inputs, N deposition via rainfall, biological N fixation and crop yield and biomass as outputs.
Out of the total N applied from inputs, only 61, 43 and 71 % was released during potato, maize and vegetable seasons respectively. Farming systems did not show a major impact in their influence on N synchrony, i.e. matching N supply to meet N demand. Rather the N synchrony varied with crop and N demand stages. Positive N flux differences were observed (higher N release compared to N demand) during the initial 20-30 days of incubation for all the farming systems, and negative N flux differences (higher N demand than release) at reproductive stages of the crops.
Nitrogen uptake efficiency (NUpE) of potato was highest in Conv-Low and Org-Low at Thika and lowest in Org-High and Org-Low at Chuka where late blight disease affected potato performance. In contrast, NUpE of maize was similar in all systems at Chuka site, but was significantly higher in Conv-High and Org-High compared to the low input systems at Thika site. The NUpE of cabbage was similar in Conv-High and Org-High while the NUpE of kale and Swiss chard were similar in the low input systems. Potato N utilization efficiencies (NUtE) and agronomic efficiencies of N use (AEN) in Conv-Low and Conv-High were higher than those from Org-Low and Org-High, respectively. The AEN of maize was similar in all the systems at Chuka but was higher in the high input systems compared to the low input systems at the site in Thika. The AEN of vegetables under conventional systems were similar to those from organic systems.
Both conventional and organic systems lost substantial amounts of mineral-N into lower soil horizons before crop establishment (0-26 days). Cumulative NO3--N leached below 1 m was similar in all the farming systems but was higher at the more humid Chuka site compared to Thika site during the maize season. Significantly more N was leached during potato season compared to maize and vegetable seasons. When NO3--N leached was expressed over total N applied, 63-68% more NO3--N was leached from the low input systems compared to the high input systems. Org-High showed a positive partial N balance at both sites and in all the cropping systems except during the vegetable season at Chuka. All the other systems exhibited negative partial N balances for the three cropping seasons with exception of Conv-High during potato season and Conv-Low and Org-Low during vegetable season at Thika site.
In summary, organic and conventional had similar effects on N release, synchrony and N loss through leaching. Furthermore, more N was leached (when expressed as a fraction of N applied) during potato and vegetables cropping seasons in the low input systems compared to the high input systems. In addition, conventional and organic farming systems had similar effects on NUpE, AEN, NUtE and NHI for maize and vegetables, while conventional systems improved NUE of potato compared to organic systems. The research therefore concludes that organic and conventional farming systems at high input level are viable options of increasing food security in sub-Saharan Africa (SSA) for maize and vegetables as demonstrated by similar yields, NUE, N supply and loss. Ability to meet food security in conventional and organic system at low input is hampered by high N losses, negative N balances coupled with low productivity due to biotic and abiotic stresses. In both conventional and organic systems, there is a need to reduce N application at planting and increase N applied at reproductive stages to minimize potential loss during the initial 20-30 days after application and improve N supply midseason when crop demand is high. Since organic systems depend on organic inputs, there is a critical need to improve the quality of manure, composts and other organic inputs to improve N supply and availability.Stickstoff-(N)-Mangel für Kulturpflanzen ist einer der limitierenden Faktoren für die Ernährungssicherheit in den meisten Entwicklungsländern, wohingegen die übermäßige Verwendung von N zu einer Umweltverschmutzung geführt hat. Eine rechtzeitige N-Verfügbarkeit ist entscheidend für die Verbesserung der Ernteerträge und der N-Nutzungseffizienz in der Landwirtschaft. Daher ist ein besseres Verständnis der Stickstoffdynamik unter verschiedenen Produktionssystemen unerlässlich, um die N-Nutzung und die N-Rückgewinnungseffizienz von Nutzpflanzen zu verbessern und die Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit der verstärkten Nutzung anorganischer und organischer Betriebsmittel zu verringern. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der N-Dynamik in konventionellen (Conv) und ökologischen (Org) Produktionssystemen, wie sie von Kleinbauern (~50 kg N ha-1 yr-1, Low Input) oder mit den empfohlenen Nährstoffwerten für den kommerziellen Einsatz (∼225 kg N ha−1 yr−1, High Input) in den subhumiden und humiden Regionen Zentralkenias praktiziert werden. Die vorliegenden Daten wurden während drei Vegetationsperioden zwischen Oktober 2012 und März 2014 in einem seit 2007 laufenden Langzeitversuch an den Standorten Chuka und Thika im Zentralen Hochland Kenias erhoben. In den Produktionssystemen Conv-High und Conv-Low wurden N-basierte Mineraldünger und Rindermist eingesetzt, wohingegen in Org-High und Org-Low Kompost und andere organische Düngemittel mit ähnlichen N-Mengen eingesetzt wurden. Die Anbausysteme wurden in einem komplett randomisierten Blockdesign mit 4 bzw. 5 Replikationen in Chuka und Thika angelegt. Der Versuch folgt einer dreijährigen Fruchtfolge, die Mais, Hülsenfrüchte, Gemüse und Kartoffeln beinhaltet.
Die N-Mineralisierung wurde mithilfe eines modifizierten Buried-Bag-Ansatzes ermittelt, während der N-Verlust mit Hilfe von Selbst-Integrierenden Akkumulatoren (SIA) gemessen wurde. Die N-Synchronität wurde anhand der Differenz der täglichen mineralischen N-Freisetzung minus der N-Pflanzenaufnahme in verschiedenen Wachstumsstadien errechnet. Die Dynamik der N-Aufnahme während verschiedener Kulturstadien wurde durch destruktive Probenahme ermittelt, während die Effizienz der Stickstoffnutzung (NUE) zum Zeitpunkt der Ernte bewertet wurde. Partielle N-Bilanzen wurden anhand des ausgebrachten N, sowie dem Verlust durch die pflanzliche Biomasse berechnet.
Von dem insgesamt zugeführten organischem N wurden 61, 43 und 71 % während der Kartoffel-, Mais- und Gemüsesaison freigesetzt. Die landwirtschaftlichen Produktionssysteme hatten keinen unterschiedlichen Einfluss auf die N-Synchronität, d.h. die Anpassung des N-Angebots an die N-Nachfrage. Vielmehr variierte die N-Synchronität mit den Kulturstadien und der N-Nachfrage. Es wurden positive Differenzen des N-Fluxes (höhere N-Freisetzung im Vergleich zum N-Bedarf) während der ersten 20-30 Tage der Inkubation und negative Differenzen des N-Fluxes (N-Bedarf höher als Freisetzung) in den Reproduktionsstadien der Kulturen für alle Produktionssystemen beobachtet.
Die Stickstoffaufnahmeeffizienz (NUpE) der Kartoffel war am höchsten in den Produktionssystemen Conv-Low und Org-Low in Thika und am niedrigsten in Org-High und Org-Low in Chuka, wo die Krautfäule die Kartoffelproduktion beeinträchtigte. Die NUpE von Mais war in allen Systemen am Standort Chuka gleich, während sie in Thika für die High-Input-Systemen höher war als in den Low-Input-Systemen. Die NUpE von Weiẞkohl war in High-Input-Systemen gleich, wiederum war die NUpE von Grünkohl und Mangold nur in den Low-Input-Systemen gleich. Die N-Nutzungseffizienz der Kartoffel (NUtE) und die agronomische Effizienz der N-Nutzung (AEN) in den Produktionssystemen Conv-Low und Conv-High waren höher als die in Org-Low bzw. Org-High. Die AEN von Mais war in allen Systemen in Chuka vergleichbar, war aber in den High-Input-Systemen höher als in den Low-Input-Systemen in Thika. Die AEN von Gemüse in den konventionellen Produktionssystemen war vergleichbar mit denen aus ökologischen Systemen.
Sowohl konventionelle als auch organische Produktionssysteme verloren erhebliche Mengen an mineralischen N in die unteren Bodenhorizonte bereits vor dem Auflaufen der Kulturen (0-26 Tage). Die kumulative Nitrat-N Auswaschung unter 1 m war in allen Anbausystemen gleich, lag aber am feuchteren Standort Chuka höher als am Standort Thika während der Maissaison.
Deutlich mehr N wurde in der Kartoffelsaison ausgewaschen als in der Mais- und Gemüsesaison. Wenn das ausgewaschene Nitrat-N im Verhältnis zur eingesetzten Gesamtmenge N ausgedrückt wurde, wurden 63-68 % mehr Nitrat aus den Low-Input-Systemen ausgewaschen als aus den High-Input-Systemen. Org-High zeigte eine positive partielle N-Bilanz an beiden Standorten und in allen Produktionssystemen mit Ausnahme der Gemüsesaison in Chuka. Alle anderen Systeme wiesen für die drei Vegetationsperioden mit Ausnahme von Conv-High während der Kartoffelsaison und Conv-Low und Org-Low während der Gemüsesaison am Standort Thika negative partielle N-Bilanzen auf.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ökologische und konventionelle Produktionssysteme ähnliche Auswirkungen auf die N-Freisetzung, die Synchronität und den N-Verlust durch Auswaschung hatten. Darüber hinaus wurde während der Kartoffel- und Gemüsesaison in den Low-Input-Systemen relative mehr N ausgewaschen (ausgedrückt als Anteil des eingesetzten N) als in den High-Input-Systemen. Zudem hatten konventionelle und ökologische Produktionssysteme ähnliche Auswirkungen auf NUpE, AEN, NUtE und NHI für Mais und Gemüse, während konventionelle Systeme die NUE von Kartoffeln im Vergleich zu ökologischen Systemen verbesserten. Die Studie kommt daher zu dem Schluss, dass ökologische und konventionelle Anbausysteme auf hohem Inputniveau für Mais und Gemüse eine tragfähige Option zur Erhöhung der Ernährungssicherheit in Subsahara-Afrika (SSA) sind, wie ähnliche Erträge, NUE, N-Versorgung und Verluste zeigen. Die Fähigkeit, die Ernährungssicherheit im konventionellen und ökologischen System mit niedrigem Input zu gewährleisten, wird durch hohe N-Verluste, negative N-Bilanzen und geringe Produktivität aufgrund biotischer und abiotischer Belastungen eingeschränkt. Sowohl in konventionellen als auch in ökologischen Produktionssystemen besteht die Notwendigkeit, den Einsatz von N bei der Aussaat zu verringern und andererseits die N-Düngung in der reproduktiven Phase zu erhöhen, um die potenziellen Verluste während der ersten 20-30 Tage nach der Aussaat zu minimieren und das N-Angebot in der Hauptwachstumsphase zu verbessern. Da ökologische Produktionssysteme von organischen Inputs abhängen, ist es dringend notwendig, die Qualität von Mist, Kompost und anderen organischen Inputs zu verbessern, um die N-Versorgung und Verfügbarkeit zu verbessern