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    Carbon dynamics resulting from paddy management under different climatic conditions in different soil types

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    Study of soil carbon dynamics was performed to reveal the effect of crop management practices in combination with different environmental conditions, i.e. topography, hydrology, and climate condition, and to evaluate the 14C concentration and residence time of carbon in different organic matter and soil mineral fractions of different tropical soil types. The 14C-AMS together with δ13C signatures were used as natural tracer to study depth carbon dynamics together with routine soil analysis to understand the important soil processes that occurred in specific area. The depth distributions of 14C demonstrate a typical decreasing concentrations with depths except in PBW profile. Similar to total organic carbon distribution, the less gradient 14C depth in the PL profiles suggests a subsoil carbon enrichment may be existed. Profiles of JSG show the most regularity of 14C depth distributions as a result of homogeneity profile compositions. Conversely, PBW profiles show the most irregularity of 14C depth distributions which is attributable to the variety in the parent material origins, and carbon contamination from different atmospheric origins. It is suggested that field variability, i.e. profile layer compositions, play an important role in controlling the carbon distribution at depth. Carbon enrichment in the humin, suggested as due to acid-alkali-insoluble fine organic remains, showed to happen in NP sites of both PL and JSG. The higher 14C concentration associated with high quantity of plant residues imply an important role of crop managements (crop types, annual crop rotations) to the refreshment of soil carbon.Vorliegende Studie untersucht die Dynamik des Kohlenstoffs im Boden, um die Auswirkung verschiedener landwirtschaftlicher Anbaumethoden im Zusammenhang mit unterschiedlichen Umweltbedingungen wie Topographie, Hydrologie und Klima zu beschreiben. Ferner wird anhand des 14C-Gehalts die Verweildauer des Kohlenstoffs in organischen Substanzen und in (organo-)mineralischen Bodenfraktionen in sechs verschiedenen tropischen Bodentypen untersucht. Der über Beschleunigermassenspektrometrie (AMS) bestimmte 14C-Gehalt und die δ13C Signatur wurden als natürlicher Tracer benutzt, um der Kohlenstoffdynamik im Unterboden nachzugehen und, in Kombination mit standardmäßigen Bodenanalysen, daraus ein besseres Verständniss der lokal wichtigen Bodenprozesse zu gewinnen. Der 14C-Gehalt des organischen Bodenmaterials nimmt mit zunehmender Tiefe generell ab, mit Ausnahme des Perbawati Profils (PBW). Sowohl die Verteilung des organischen Gesamtkohlenstoffgehalts (TOC) als auch der niedrigere 14C-Tiefengradient in den Profilen von Ploso Lor (PL) deuten auf eine Anreicherung von Kohlenstoff im Unterboden hin Die Jasinga Profile (JSG) zeigen aufgrund des insgesamt sehr homogenen Bodenprofils die gleichmäßigste 14C-Verteilung über die Tiefe. Die Perbawati Profile (PBW) hingegen zeigen die stärksten Unregelmäßigkeiten in der 14C-Tiefenverteilung. Dies ist wahrscheinlich der Variabilität des Ausgangsmaterials sowie Kohlenstoffkontamination mit unterschiedlicher atmosphärischer Herkunft zuzuschreiben. Es gibt Hinweise, dass die Variabilität im Gelände, d.h. die Zusammensetzung der Bodenhorizonte, eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffverteilung im Unterboden spielt. Kohlenstoffanreicherung in der Huminfraktion, möglicherweise als feine, in Säure und Lauge unlösliche organische Reste, wurde in den NP Profilen von Ploso Lor and Jasinga gefunden. Der Zusammenhang zwischen einer höheren 14C Konzentration und einer höheren Zahl an Pflanzenresten deutet auf eine wichtige Rolle der Anbauplanung (Pflanzenart und jährliche Fruchtwechsel) bei der Erneuerung des organischen Bodenkohlenstoffs hin

    Modellbasierte Quantifizierung der Nitratauswaschung unter Berücksichtigung von Unsicherheiten

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    More precise determination of nitrate-nitrogen losses is still required because of high variations regarding inorganic and/or organic N fertilization, portions of harvest amounts and residues, and associated C and N transformations in soil and plant. The nitrate-nitrogen leaching in agricultural soils is the dominating process of an unwanted nitrogen loss, esp. under winter mild, humid climate and artificial drainage. In the course of this thesis, (I) the general applicability of the process-based model CoupModel (Jansson and Karlberg, 2010) was investigated at first by means of a baseline scenario in the form of a temporary red clover catch crop (undersown in winter wheat) without considering uncertainties arising from model parameterization. (II) Within different approaches of automated model optimization, a number of sensitive input parameters were selected to vary between predefined ranges. Both the Bayesian approach and the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) were tested on mown permanent grassland. As one result, the GLUE approach was chosen because of its more universal applicability to investigate the impact of input-parameter uncertainties on (III) soil water balance and (IV) nitrate-nitrogen leaching under different silage maize cultivations. Furthermore, impact of undersown annual grass on the soil water balance and its efficiency to reduce the nitrate-nitrogen leaching under silage maize were evaluated. The combination of uncertainties arising from measurements and model parameterization suggested that common guide values for the nitrate-nitrogen leaching are hardly reliable without considering tolerable variations.Eine genauere Bestimmung der Verluste an Nitrat-Stickstoff wird aufgrund der hohen Schwankungsbreite hinsichtlich mineralischer und/oder organischer Duengung, der Anteile von Erntemasse und -rueckstaenden bzw. der damit verbundenen C- und N-Transformationsprozesse in Boden und Pflanze benoetigt. Die Nitratauswaschung unter landwirtschaftlich genutzten Boeden ist der dominierende Vorgang eines unerwuenschten Stickstoffverlustes, insbesondere unter wintermilden, humiden Witterungsbedingungen und in kuenstlichen Drainagen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde (I) die generelle Anwendbarkeit des prozessbasierten Modells CoupModel (Jansson und Karlberg, 2010) zunaechst fuer ein Basisszenario in Form einer temporaeren Rotklee-Zwischenfrucht (eingesaet in einen Winterweizen-Bestand) ohne die Beruecksichtigung von Unsicherheiten hervorgerufen durch die Modellparametrisierung ueberprueft. (II) Im Rahmen von verschiedenen Ansaetzen zur automatischen Modelloptimierung wurden mehrere sensitive Eingabe-Parameter ausgewaehlt, welchen eine gewisse Unsicherheit innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs unterstellt wurde. Sowohl der Bayessche Ansatz als auch der Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) Ansatz wurde danach fuer ein Dauergruenland unter Schnittnutzung getestet. Basierend darauf wurde der GLUE-Ansatz aufgrund seiner universelleren Anwendbarkeit ausgewaehlt, um den Einfluss der Parameter-Unsicherheit auf (III) die Wasserbilanz im Boden und (IV) die Nitratauswaschung unter verschiedenen Silomais-Systemen zu untersuchen. Weiterhin sollten der Einfluss einer einjaehrigen Gras-Untersaat auf die Wasserbilanz im Boden und die Effizienz zur Verminderung der Nitratauswaschung unter Silomais bewertet werden. Durch die kombinierte Betrachtung von Unsicherheiten bedingt durch Messungen und Modell-Parametrisierung konnte gezeigt werden, dass allgemein gueltige Werte fuer die Nitratauswaschung kaum anwendbar bzw. uebertragbar sind ohne Beruecksichtigung einer tolerierbaren Variabilitaet

    Development of Colony Collapse Disorder in Honeybees in Schleswig-Holstein and its Relation to the Beekeeping Methods

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    Honeybees have important functions in terrestrial ecosystems and for biodiversity through their pollination services. We also benefit from bee products such as honey and beeswax, which are used in a variety of industries, including bakery, pharmaceuticals, cosmetics, water-proof polishes and candle making. Consequently, the increased number of honeybee losses, known as Colony Collapse Disorder (CCD), will cause severe damage to ecosystems and our economy. Therefore, it has concerned many scientists and ecologists in recent years and affected many farmers and beekeepers. Although researchers have tried to determine the main causes of CCD in honeybees throughout the globe in the past decade, we still do not have sufficient knowledge of the actual factors that cause and increase death rates in honeybee colonies. On the other hand, most of the research being done in Germany on this issue is mainly focussed in the southern parts of the country. However, the weather conditions in the northern German coastal areas with often strong winds and relatively few sunny days for the honeybees to collect pollen or nectar differ significantly from those in southern Germany. Several research articles suggest the use of pesticides as one of the potential causes of bee mortality. Others also focus on pathogens and varroa destructor. However, due to the rise in the number of CCDs occurring worldwide, it seems less realistic to consider only one factor as the main cause. Therefore, an overview of all potential causes of death in honeybee colonies is provided and a combination of (synergistic) factors is identified as a means to weaken the bees' immune system. Hence, this dissertation focuses on the development of CCD in honeybees in Schleswig-Holstein, its main causes and its possible relation to beekeeping methods. The main questions asked in this dissertation are therefore: • Why are honeybees disappearing more often today than in the past? • How severe is the loss of the bee population in Northern Germany? • Is the crisis of bee mortality related to beekeeping methods? • Is there a way to decrease the losses? 9 For this matter, the following research project is based on firstly, a comparative study of the development of all the potential causes of CCD in bees in Schleswig-Holstein, including the background history of beekeeping in the region. Secondly, an evaluation and analysis of qualitative questionnaires will help to discuss the progress and the estimated causes of CCD in this area. For this research project, up-to-date data from local beekeepers are needed to analyze the recent development of colony collapse disorder in honeybees in the region. Furthermore, common local beekeeping methods and management trends could be easily patterned using a questionnaire. Finally, specific problems, requests, wishes and needs of beekeepers could be identified. Therefore, with the help of a several new and old local beekeepers from the region, a questionnaire with 21 questions was designed to add their field of interest. This survey is divided into two parts: in the first part, general questions about beekeepers, such as number of beehives and their equipment, and the second part, technical questions about deeper beekeeping methods, bee losses, issues and requests that include different perspectives on the topic. However, they are primarily focused on the main research hypothesis, beekeeping methods and bee losses. Finally, some methods and factors will be suggested to reduce or cut the losses of honeybees and to improve the general situation of honeybees in natural and man-made ecosystems. Despite the growing loss of honeybee colonies in recent decades, there is hope to put an end to this issue by understanding the main causes of this phenomenon at the local scale and eliminating these factors by improving the beekeeping and management methods and maintaining biological pest-control targets

    Einflüsse des Landmanagements auf der Boden-Bildung und Boden-Degradierung während der Mitte und spät Holocene in Schleswig-Holstein (Deutschland)

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    The investigation of natural and human-induced soil degradation are important subjects in terrestrial ecosystem research. They involve several branches of the science. In order to study natural and human-induced soil degradation, it is necessary to use inter- and multidisciplinary approaches with respect to temporal and spatial landscape changes. Soils and sediments are geoindicators which preserve important information about the long-term human impact on the environment. Colluvial sediments are indirect human-made parent materials. They reflect internal and external aspects of long-term soil degradation. Land-use systems determine long-term human-induced soil degradation and soil formation since the beginning of agriculture. In order to answer several questions such as when intensive human-induced soil degradation started in Schleswig-Holstein, how soil degradation developed and what the responses of soils and sediments were to land-use changes, It was hypothesized that intensive human activities during middle and late Holocene were responsible for the modification of soils and sediments and also for the acceleration of soil degradation. An integrative assessment method was thus developed and testified. The results of the investigation of colluvial sediments and soils in three research areas in Schleswig-Holstein (Germany) with a high resolution in space and time can be summarized as follows: Properties of soils and sediments vary intensively from Mesolithic until Modern times. Intensive soil formation took place in the colluvial layers during periods of geomorphodynamic stability in a dense woodland. Transport of clay minerals and leaching of soluble material as important soil formation processes were identified in the investigation areas. Inappropriate land-use management caused the podsolization of Cambisols and Luvisols which had developed in colluvial layers before. Man-induced soil formation (degradation e.g. due to podsolization), soil erosion and sedimentation (removal of the nutrients in the topsoil by erosion) modified soil fertility and soil quality often strongly. Land-use systems have usually accelerated, changed or prevented the specific natural processes of soil formation. Soil age information together with geomorphological data, physical, chemical and biological soil properties provide the database which is necessary to study the types and rates of soil formation in colluvial layers. Recent soil conditions are the result e.g. of the decision-making of farmers in the past. The decision-making modified soil formation processes and increased chemical, physical and biological soil degradation. In conclusion, it could be emphasized that the impact of human activities on soils is unavoidable; in many cases negative effects will be multiplied by land mismanagement. The study of the effects of the past and current land-use changes enable the identification of the best solution to control soil degradation. A good knowledge from the past and about current soil degradation helps to identify a successful strategy against unwanted soil changes in order to achieve a sustainable management of the soils in the future.Die Untersuchung der natürlichen und der von Menschen ermöglichten Bodendegradierung sind wichtige Elemente der Ökosystemforschung. Sie betreffen zahlreiche Disziplinen. Das Studium natürlicher und von Menschen ermöglichter Bodendegradation erfordert den Einsatz inter- und multidisziplinärer Ansätze, die räumliche und zeitliche Dynamik von Landschaften beschreiben. Böden und kolluviale Sedimente sind Geoindikatoren, die wichtige Informationen über den Einfluss von Menschen in der Vergangenheit enthalten. Sie stehen im Fokus dieser Arbeit. Kolluvien sind Ausgangsgesteine der Bodenbildung, deren Entstehung von Menschen indirekt ermöglicht wurde. Sie beinhalten interne und externe Aspekte der langfristigen Bodendegradierung. Die agrarische Landnutzung bestimmt seit dem Neolithikum wesentlich die Art und das Ausmaß der langfristigen, von Menschen ermöglichten Bodendegradierung. Wann begann die von Menschen verursachte Bodendegradation in Schleswig-Holstein? Wie entwickelte sich die Bodendegradation seitdem? Wie reagierten Böden und Sedimente auf Landnutzungsänderungen? Als These wird formuliert, dass die intensiven Aktivitäten von Menschen während des mittleren und des jüngeren Holozäns verantwortlich sind für die Veränderung der Böden und Sedimente sowie auch für die Zunahme der Bodendegradation in Schleswig-Holstein. Zur Prüfung wurde eine integrative Untersuchungsmethode entwickelt und getestet. Die Resultate der Untersuchungen von Kolluvien und Böden in drei schleswig-holsteinischen Untersuchungsgebieten in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung können wiefolgt zusammengefaßt werden: Die Eigenschaften von Böden und Sedimenten haben sich vom Mesolithikum bis heute stark verändert. Intensive Bodenentwicklung vollzog sich in Kolluvien im Verlauf von Phasen mit geomorphodynamischer Stabilität unter dichtem Wald. Der Transport von Tonmineralen und die Auswaschung von wasserlöslichen Stoffen sind wichtige Bodenbildungsprozesse, die in den Untersuchungsgebieten nachgewiesen werden konnten. Ein nicht angepaßtes Landnutzungsmanagement verursachte die Podsolierung von Cambisolen und Luvisolen, die sich zuvor in Kolluvien entwickelt hatten. Die von Menschen beeinflußte Bodenbildung (Degradierung, u.a. durch Podsolierung), die Bodenerosion und Sedimentation (Abtransport von Nährstoffen im Oberboden durch Bodenerosion) veränderten die Bodenfruchtbarkeit und die Bodenqualität oftmals stark. Der Einsatz von Landnutzungssystemen hat zumeist die spezifischen natürlichen Bodenbildungsprozesse verstärkt, verändert oder gar verhindert. Informationen zum Alter von Böden zusammen mit geomorphologischen Daten, physikalischen, chemischen und biologischen Bodendaten bilden die Basis für ein Studium der Typen und Raten der Bodenbildung in Kolluvien. Der heutige Bodenzustand ist das Ergebnis u.a. der Entscheidungen von Landnutzern in der Vergangenheit. Diese Entscheidungen haben oft die Art und Intensität der Bodenbildungsprozesse verändert und die chemische, physikalische und biotische Bodendegradation erhöht. Schlußfolgernd ist zunächst festzustellen, dass die Wirkungen menschlichen Handelns auf die Böden unvermeidbar ist. Oft wurden die negativen Effekte verstärkt durch ein Mismanagement des Landes. Die Untersuchung der Wirkungen von Landnutzungssystemen und Landnutzungswandel ermöglichen eine Identifizierung der geeigneten Maßnahmen, um die Bodendegradation zu kontrollieren. Gute Kenntnisse über die Bodendegradation in der Vergangenheit und heute helfen wesentlich, erfolgreiche Strategien gegen unerwünschte Bodenveränderungen und für ein nachhaltiges Management der Böden in der Zukunft zu identifizieren

    Anthropogene Nutzungen und deren Auswirkungen auf Seevögel in der Deutschen Bucht: Entwicklung methodischer Ansätze und Bewertung der Effekte

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    Im Hinblick auf die Intensivierung der anthropogenen Aktivitäten auf dem Meer bestand das Ziel dieser Arbeit darin, die Auswirkungen verschiedener Nutzungsformen auf Seevögel ergebnis- und methodenorientiert zu bewerten. Dabei wurden sowohl Auswirkungen auf das Nahrungssuchverhalten als auch auf die Verbreitungsmuster ausgewählter Seevogelarten untersucht

    Assessment of dynamic biotic and abiotic processes at the soil surface affected by different management systems

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    In agricultural areas the soil surface presents in general a vital interface that receives different impacts due to the tillage and residue management. In general the experimental data showed that the enzyme activities, microbial carbon, organic carbon and the Cmic/Corg ratio as well as the runoff ratios were significantly affected by the date of conversion from conventional to organic farming management and from the conventional management system. The experimental data received from the rainfall experiment showed that the soil surface crusting process at the conventional farming soils started earlier than at the organic farming soils. The conversion from conventional farming to organic farming results in a greater potential to infiltrate rainfall and lower runoff rates. These findings indicate furthermore that the activities of acid-phosphatase and ß-glucosidase can be used to identify differences between land use managements. They are also appropriate to find short time differences between the dates of conversion from conventional to organic farming
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