Modelling Dairy Supply Chain in West Java using Agent-Based Simulation

This working paper describes a process to develop an agent-based simulation of dairy supply chain in Indonesia. The discussion begins by describing the situation in the case study area. Then we explain the assumptions used in to develop agent-based simulation in this study. The simulation experiments show that the agent-based simulation can produce outputs that resemble the patterns in the real-world data. This paper ends by discussing the conclusions and plan for further research

Modelling regional land change scenarios to assess land abandonment and reforestation dynamics in the Pyrenees (France)

International audienceOver the last decades and centuries, European mountain landscapes have experienced substantial transformations. Natural and anthropogenic LULC changes (land use and land cover changes), especially agro-pastoral activities, have directed influenced the spatial organization and composition of European mountain landscapes. For the past 60 years, natural reforestation has been occurring due to a decline in both agricultural production activities and rural population. Stakeholders, to better anticipate future changes, need spatially and temporally explicit models to identiy areas at risk of land change and possible abandonment. This paper presents an integrated approach combining forecasting scenarios and a LULC changes simulation model to assess where LULC changes may occur in the Pyrenees Mountains, based on historical LULC trands and a range of future socio-economic drivers. The proposed methodology considers local specificities of Pyrenan valleys, sub-regional climate and topographical properties, and regional economic policies. Results indicate that some regions are projected to face strong abandonment, regardless of scenario conditions. Overall, high rates of change are associated with administrative regions where land productivity is highly dependent on socio-economic drivers and climatic and environmental conditions limit intensive (agricultural and/or pastoral) production and profitability. The combination of the results for the four scenarios allows assessements of where encroachment (e.g. colonization by shrublands) and reforestation are the most probable. This assessment intends to provide insight into the potential future development of the Pyrenees to help identify areas that are the most sensitive to change and to guide decision makers to help their management decisions

Eliciting Agents’ Behaviour using Scenario-Based Questionnaire in Agent-Based Dairy Supply Chain Simulation

A scenario-based questionnaire is a survey method that aims to identify the respondents’ decision rules using their responses to a series of scenarios. It is rarely used in agent-based modelling and simulation (ABMS) with most researchers preferring a survey with closed questions as the data collection method. This is particularly true for ABMS studies in agri-food supply chains. In our paper, we design a scenario-based questionnaire to elicit the behaviour of agents in ABMS and apply it in a dairy supply chain case. Our findings suggest that respondents respond well to a scenario-based questionnaire as it relates more closely to their actual decision-making process. Furthermore, our experiment shows that the decision rules extracted using a scenario-based questionnaire improve ABMS validity

Applications of agent-based modelling and simulation in the agri-food supply chains

Agri-food supply chains (ASC) are an important application domain for Operational Research/Management Science. In particular, the use of agent-based simulation (ABS) has increased in ASC research in recent years. This paper reviews existing ASC research that use ABS. The review begins by analysing the characteristics of the models and modelling reported in the literature. It illustrates that existing modelling research features extensive use of: single echelon supply chains; cases from high and middle income countries; unprocessed food products, empirical (as opposed to hypothetical) data; decision-making related to production planning and investment; and the use of black box validation. The second part of the review uses bibliographic mapping to analyse areas in ASC research which are yet to be addressed using ABS. We find that areas such as collaboration and competition, buyer–seller relationships, and service are under-researched. In addition, key actors in ASC such as food processors, supermarkets and retailers have not been included in the ABS models reported. Furthermore, these models have yet to incorporate important supply chain management theories such as Transaction Cost Economics and Resource-Based View as part of their design

Adaptation of herd simulation models to predict the efficiency of the use of resources in tropical ruminant production systems

Agricultural systems in the (Sub-)Tropics are under increasing pressure to produce more food and satisfy the growing demand of a rapidly growing and more affluent human population for agricultural products. With growing rates of urbanization in these regions and the associated dietary changes, the demand for calories from animal-based foods like milk, meat, and eggs could increase by 74 to 114 % between 2010 and 2050. Ruminant livestock have the potential to contribute to satisfying the demand for animal-based foods in the (Sub-)Tropics, but also raise considerable environmental concerns, amongst others due to their emissions. The use of simulation models is a holistic approach to identify how to sustainably harness the potential of ruminants for animal-based food production in the (Sub-)Tropics. Although several ruminant herd models are relevant for studying tropical ruminant production systems, most of them were developed using data that quantify and characterize biological processes of ruminants in temperate regions. Therefore, the present thesis identified and adapted an existing ruminant livestock herd model to adequately predict resource use and the potential outputs from production systems in the (Sub-)Tropics. The present thesis showed that state-of-the-art ruminant livestock herd models used to simulate tropical production systems need further development to enable them to address the modelling needs identified. Instead of developing new models to address these modelling needs, existing simulation models could be adapted using the increasingly available data that quantify and characterize biological processes in ruminants in these regions. This approach will ensure that not only the direction of change for different management strategies will be identified for tropical ruminant production systems, but also the correct magnitude of resources use and productive and reproductive performance.Agrarsysteme in den (Sub-)Tropen stehen unter dem Druck, den steigenden Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten zu decken, der aus der zunehmenden Bevölkerung und dem wachsenden Wohlhaben resultiert. Zusätzlich wird für die Nachfrage nach tierbasierten Lebensmitteln wie beispielsweise Milch, Fleisch und Eier aufgrund der fortschreitenden Urbanisierung dieser Region und des damit verbundenen Wandels der Nahrungsgewohnheiten ein Anstieg von 74 bis 114% zwischen 2010 und 2050 erwartet. Wiederkäuer-basierte Systeme zur Bereitstellung dieser Lebensmittel besitzen das Potential, zur Deckung dieses steigenden Bedarfs beizutragen, was jedoch auch mit berechtigten Bedenken wegen der damit verbundenen umweltbelastenden Emissionen einhergeht. Die Nutzung von Simulationsmodellen berücksichtigt einen ganzheitlichen Ansatz, um eine nachhaltige Einbindung von Wiederkäuern in die Lebensmittelproduktion in den (Sub-)Tropen zu unterstützen. Es existieren mehrere Modelle, die für die Untersuchung tropischer Wiederkäuerproduktionssysteme in Frage kommen, jedoch basieren diese hauptsächlich auf Daten, welche die biologischen Prozesse von Wiederkäuern aus gemäßigten Regionen quantifizieren und charakterisieren. Diese Doktorarbeit thematisiert daher die Ermittlung und Anpassung eines existierenden Modells zur Simulation der Produktivität und Ressourcennutzung von Wiederkäuerherden in den (Sub-)Tropen. Die hier vorliegende Arbeit zeigte, dass es notwendig ist, die aktuellen Herdenmodelle für Wiederkäuersysteme weiterzuentwickeln, um den identifizierten Anforderungen für zukünftige Simulationen gerecht zu werden. Anstatt der Entwicklung neuer Modelle kann hierbei auf die Anpassung existierender Modelle zurückgegriffen werden und dies unter Einbeziehen der Verfügbarkeit von quantitativen Daten auch für tropische Tierhaltungssysteme hinsichtlich relevanter biologischer Prozesse. Dieser Ansatz ist zukunftsweisend für die Bewertung der Produktivität und Ressourcennutzung sowie möglicher Managementstrategien für Wiederkäuersysteme in den (Sub-)Tropen

An exploration of scenarios to support sustainable land management using integrated environmental socio-economic models

Scenario analysis constitutes a valuable deployment method for scientific models to inform environmental decision-making, particularly for evaluating land degradation mitigation options, which are rarely based on formal analysis. In this paper we demonstrate such an assessment using the PESERA–DESMICE modeling framework with various scenarios for 13 global land degradation hotspots. Starting with an initial assessment representing land degradation and productivity under current conditions, options to combat instances of land degradation are explored by determining: (1) Which technologies are most biophysically appropriate and most financially viable in which locations; we term these the “technology scenarios”; (2) how policy instruments such as subsidies influence upfront investment requirements and financial viability and how they lead to reduced levels of land degradation; we term these the “policy scenarios”; and (3) how technology adoption affects development issues such as food production and livelihoods; we term these the “global scenarios”. Technology scenarios help choose the best technology for a given area in biophysical and financial terms, thereby outlining where policy support may be needed to promote adoption; policy scenarios assess whether a policy alternative leads to a greater extent of technology adoption; while global scenarios demonstrate how implementing technologies may serve wider sustainable development goals. Scenarios are applied to assess spatial variation within study sites as well as to compare across different sites. Our results show significant scope to combat land degradation and raise agricultural productivity at moderate cost. We conclude that scenario assessment can provide informative input to multi-level land management decision-making processes

Climate variability, social capital and food security in Sub-Saharan Africa : household level assessment of potential impacts and adaptation options

Climate variability and poor distribution of rainfall often causes serious agricultural production losses and worsens food insecurity. Given that the direct effects of climate change and variability are transmitted through the agricultural sector, improving farm households capacities to adapt to the adverse effects of climate-related shocks is an important policy concern. This thesis applied a stochastic Agent-based Model (ABM) that is capable of simulating the effects of different adaptation options by capturing the dynamic changes of climate and prices, as well as the dynamic adaptive process of different farm households to the impacts of these changes. The agent-based simulations conducted in this thesis address the special challenges of climate and price variability in the context of small-scale and subsistence agriculture by capturing non-separable production and consumption decisions, as well as the role of livestock for consumption smoothing. To ensure the reliability and usefulness of results, the model was validated with reference to land-use and overall poverty levels based on observed survey values. In particular, the study used disaggregated socio-economic, price, climate and crop yield data to quantify the impacts of climate and price variability on food security and poverty at the household level. Furthermore, the study explicitly captured crop-livestock interactions and the recursive nature of livestock keeping when examining the effects of climate and price variability. The thesis additionally examined how specific adaptation strategies and policy interventions, especially those related to the promotion of credit, improved seed varieties, fertilizer subsidy and off-farm employment, affect the distribution of household food security and poverty outcomes. In addition to impacts on household food security and poverty, the study further considered indirect impacts through changes in the price of agricultural inputs and livestock holding. In terms of coping strategies, the simulation results in this thesis show that the effects of climate and price variability on consumption are considerable, but smaller for those households with relatively large livestock endowments. In addition, the study also found that farm households with a large plantation area of eucalyptus were able to cope with the effects of variability. Therefore, our results suggest that self-coping strategies are important but not sufficient and should be complemented with appropriate policy interventions. In terms of policy interventions, the study found that policy intervention through the expansion of credit and fertilizer subsidy along with innovation through the promotion of new crop varieties that are resilient and adapted to local conditions are the most effective adaptation options for the case of Ethiopia. In addition, the simulation results underscore that adaptation strategies composed of a portfolio of actions (such as credit and fertilizer subsidy along with new technologies) are more effective compared to a single policy intervention. For Ghana, the study suggests that if expansion of production credit is complimented by irrigation, it can provide a way to achieve food security under climate and price variability. In order to design a best-fit intervention instead of a one size fits all approach, it is important to capture the distribution of effects across locations as well as households. The great strength of this study is its agent-based nature, which enables exploration of how effects are distributed across farm households. The simulation results clearly show that poor farms are vulnerable to climate and price variability, under which they suffer food insecurity, while a small group of wealthy farms are better off due to higher prices achieved when selling crops. The result from this thesis further underscores the need for improving adaptive capacity, as a large proportion of farm households are unable to shield themselves against the impacts of price and climate variability. In what follows, the study further applied standard micro-econometric techniques to examine the role of social capital and informal social networks on consumption insurance and adoption of risk mitigating land management practices. In particular, the thesis provides evidence of the effects of different dimensions of social capital on the adoption of soil and water conservation practices across households holding different levels of risk-aversion. The results of the study underscore that social capital plays a significant role in enhancing the adoption of improved farmland management practices and suggests that the effect of social capital across households with heterogeneous risk taking behaviour is different. Finally, by combining household panel data, weather data, self-reported health shocks and detailed social capital information, the last section is able to analyze how social capital buffers some of the implications of weather shocks.Klimavariabilität und ungünstige Verteilung von Regenfällen verursachen oft erhebliche Verluste in der landwirtschaftlichen Produktion, und verschlechtern die Nahrungssicherheit. Da die direkten Auswirkungen des Klimawandels und der Klimavariabilität über den landwirtschaftlichen Sektor übertragen werden, hat die Verbesserung der Möglichkeiten für landwirtschaftliche Haushalte sich an widrige, durch das Klima verursachte Schocks anzupassen, wichtige politische Bedeutung. Die vorliegende Dissertation nutzte ein stochastisches, agentenbasiertes Model, welches in der Lage ist, die Effekte verschiedener Anpassungsoptionen zu simulieren, indem es die dynamischen Entwicklungen von Klima und Preisen, sowie die dynamischen Anpassungsprozesse der verschiedenen landwirtschaftlichen Betriebe an die Auswirkungen dieser Veränderungen erfasst. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten agentenbasierten Simulationen widmen sich der besonderen Herausforderung der Klima- und Preisänderungen im Kontext der kleinbäuerlichen Selbstversorgungslandwirtschaft, in dem sie die nicht voneinander trennbaren Produktions- und Konsumentscheidungen, sowie die Rolle des Viehbestandes für den Konsumausgleich berücksichtigen. Um die Verlässlichkeit und die Brauchbarkeit der Ergebnisse sicher zu stellen wurde das Modell in Bezug auf Nahrungssicherheit, Landnutzung und allgemeine Armutsgrenze, basierend auf beobachteten Erhebungsdaten, validiert. Im Besonderen wurden für die vorliegende Studie disaggregierte sozioökonomische Daten, sowie disaggregierte Daten zu Preisen, Klima und Ernteerträgen genutzt, um die Auswirkungen von Klima- und Preisänderungen auf Nahrungssicherheit und Armut auf Haushaltsniveau zu quantifizieren. Des Weiteren wurden Interaktionen zwischen Pflanzenbau und Tierzucht, sowie der rekursive Charakter der Viehhaltung bei der Untersuchung der Effekte durch Klima- und Preisänderungen explizit berücksichtigt. Die Dissertation betrachtet darüber hinaus, wie sich bestimmte Strategien und Politikeingriffe, insbesondere diejenigen mit Bezug auf die Förderung von Krediten, verbessertes Saatgut, Düngemittelsubvention und außerbetriebliche Beschäftigung auf die Verteilung von Haushalts-Nahrungssicherheit und Armut im Ergebnis auswirken. Darüberhinaus erfasst die Studie auch die indirekten Auswirkungen durch Änderungen der Preise für landwirtschaftliche Betriebsmittel und Tierhaltung. Was die Anpassungsstrategien betrifft, zeigen die Simulationsergebnisse dieser Dissertation, dass die Auswirkungen von Klima- und Preisvariabilität auf den Konsum zwar beträchtlich sind, jedoch für diejenigen Haushalte mit relativ großem Viehbestand kleiner sind. Außerdem fand die Studie heraus, dass landwirtschaftliche Haushalte mit ausgedehnten Flächen von Eukalyptuspflanzungen in der Lage waren mit den Effekten der Variabilität zurecht zu kommen. Demzufolge legen unsere Ergebnisse nahe, dass Eigenanpassungsstrategien zwar wichtig, jedoch nicht ausreichend sind, und deshalb mit geeigneten Politikinterventionen ergänzt werden sollten. Was die Politikinterventionen betrifft, so fand die Untersuchung heraus, dass im Falle Äthiopiens die Anpassung mittels Innovation durch die Förderung von neuen Feldfruchtsorten, die widerstandsfähig und an die lokalen Verhältnisse angepasst sind, die effektivste Anpassungsmöglichkeit darstellt; gefolgt von der Erweiterung der Kredit- und Düngemittelsubventionen. Außerdem unterstreichen die Simulationsergebnisse, dass Anpassungsstrategien bestehend aus einem Bündel von Aktionen (wie z.B. Kredit- und Düngemittelsubventionen zusammen mit neuen Technologien), wirkungsvoller sind als einzelne Politikinterventionen. Im Falle Ghanas legt die Studie nahe, dass eine Kombination von Kreditförderung und Bewässerung ein Weg sein kann, Nahrungssicherung trotz Klima- und Preisvariabilität zu erreichen. Um eine Best-Fit-Intervention entwerfen zu können, anstatt einen Einheitsansatz für alle zu verfolgen, ist es wichtig die Streuung der Effekte über alle Orte (Siedlungen) und Haushalte zu erfassen. Die große Stärke dieser Studie ist ihre agentenbasierte Herangehensweise, die dazu befähigt, zu erforschen, wie die Auswirkungen über die landwirtschaftlichen Haushalte verteilt sind. Die Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass arme Betriebe gegenüber Klima- und Preisvariabilität ungeschützt sind, wodurch sie unter Nahrungsunsicherheit leiden, während eine kleine Gruppe wohlhabender Betriebe durch die höheren Preise für Feldfrüchte finanziell besser gestellt sind. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit unterstreicht weiterhin die Notwendigkeit die Adaptationsfähigkeit zu verbessern, da ein großer Teil der landwirtschaftlichen Haushalte nicht in der Lage sind sich selbstständig gegen die Auswirkungen der Klima- und Preisvariabilität zu schützen

Development of coupled mid-infrared spectroscopic and thermal analytical approaches for the characterization and modeling of soil organic matter dynamics of arable soils

Soil organic matter (SOM) is a large part of the global carbon cycle both as a stock, as a source of fluxes (gaseous, dissolved, or sediments) to other stocks, and is also an important component of soil fertility and likewise plant productivity. Due to the growing need for additional data for both global studies related to climate change and soil fertility, additional information is needed not only on the total quantity of SOM, but its distribution within time and space and also its quality. In this study the use of mid-infrared spectroscopy in different applications was explored as an indicator of soil quality or composition, to measure the distribution of quality in different soils and fractions, and how these new methods could be used for SOM model parameterizations compared to other methods for both short and medium term model simulations. Firstly, certain mid-infrared active functional groups as measured with diffuse reflectance spectroscopy (DRIFTS) were studied in a long term fertilization experiment (Bad Lauchstädt) to ascertain the suitability of these different functional groups as indicators of the long term impacts of different fertilizer applications and also in various SOM fractions as separated by size-density approaches. Secondly, a coupled mid-infrared thermally evolved gas analysis was combined with in-situ monitoring of changes in vibrational functional groups to assign different qualities to different temperature ranges during a thermal oxidation experiment to 700 °C. Lastly, these two approaches were compared to traditional SOM fractionation as more rapid alternatives to parameterizing SOM pool sizes in the Century multi-compartment SOM model applied to arable soils at sites in the Kraichgau and Swabian Alb areas in Southwest Germany. In the long-term experiment (Bad Lauchstädt) it was found that certain vibrational functional groups (i.e. aliphatic (2930 1/cm) and aromatic (1620 1/cm)) in bulk soil varied (P < 0.05) according to long-term farmyard manure (FYM) and/or mineral fertilizer application. The application of 30 Mg/ha every second year of FYM increased the proportion of aliphatics as compared to aromatics, while the opposite was true for the control treatment (without any mineral and FYM fertilizer). The ratio of the aromatic to aliphatic relative peak areas were found to be positively related to the ratio of stabilized (SOC in heavy density fractions and clay size fraction) to labile SOC (light density fraction). This indicated that this peak area ratio (aromatic to aliphatic) is an indicator for the relative contribution of stabile to labile SOM as a stability index. In the next phase of the methodological development, evolved gas analysis (EGA) was used during a programmed heating of soil samples to 700°C to link EGA characteristics with SOM. An additional methodological step was the utilization of in-situ diffuse reflectance (in situT DRIFTS) measurements during heating as an indicator of the nature of SOM being decomposed at different temperatures. Thermal stability was found to be affected by experimental conditions and also sample type. The heating rate, amount of C in the sample, and volume of the sample in the heating chamber changed the rate and overall shape of the CO2 evolution curve and needed to be optimized when comparing different SOM fractions. In the long term experiment of Bad Lauchstädt, a decreasing thermal stability as measured by temperature of maximum CO2 evolution was found in the order from control > mineral fertilizer > manure > manure and mineral fertilizer. Furthermore, after a 490 day soil incubation at 20°C the thermal stability of SOC increased, but only slightly. In the in-situT DRIFTS method, the intensity of previously identified vibrational functional groups decreased (degraded) at different temperatures. The functional groups decreased in the order of aliphatic, alcoholic, and carboxylates, and at higher temperatures, also aromatic groups decreased. These findings were used as rules for fitting multiple peaks to the total evolved CO2 curve to derive SOM pools of different reactivity. Pools derived from the measured fractions of mid-infrared functional groups (aliphatic, carboxylate/aromatic, aromatic), evolved gas analysis (CO2) fitted peaks (centered at 320, 380, 540°C), and size-density fractionation (particulate organic matter, heavy density fraction, silt and clay fraction) in addition to a long-term equilibrium model run, were used to parameterize the SOM pools of the Century model as implemented in the Land Use Change Assessment tool (LUCIA) and compared to measured soil surface CO2 fluxes and soil organic carbon (SOC) contents after 2 years. The best fits for the short term study were found to be the SOM fractionation DRIFTS and EGA pool initialization methods, but the differences over two years were very small for the three different parameterization methods and generally CO2 fluxes were underestimated. A 20 year simulation, keeping all rate constants the same, on the other hand, showed large changes in both the SOC (14 Mg/ha, 0 to 30 cm) and the distribution in the pools. As compared to the 2010 baseline SOC, the DRIFTS, EGA-1, and SOM fractionation methods were closest in the Kraichgau site, while the equilibrium method was closest in the Swabian Alb. Overall, DRIFT mid-infrared spectroscopy showed its utility as a rapid assessment of the general distribution of stable to labile SOM in bulk soil. Additionally, when coupled with EGA and in-situ DRIFTS measurements, the integrated method can provide additional information during the thermal degradation of SOM during heating. All methods investigated found changes as a result of soil fertilization management, and between SOM fractions. Lastly, it was shown that such information can be used for direct SOM model inputs, although the methods should be tested on further land uses and soil types. These mid-infrared thermally coupled spectroscopic techniques represent an advance in the use of mid-infrared spectroscopy in the field of detailed SOM characterization for modeling SOM dynamics.Organische Bodensubstanz (OBS) hat als Kohlenstoffspeicher, sowie als Ursprung von Stoffflüssen (gasförmig, gelöst, oder als Sediment) zu anderen Speichern oder Prozessen, einen großen Anteil am globalen Kohlenstoffkreislauf und ist ein wichtiger Faktor der Bodenfruchtbarkeit und somit der pflanzlichen Produktivität . Auf Grund des steigenden Bedarfs an genaueren Daten für globale Studien zu Klimawandel und Bodenfruchtbarkeit werden zusätzliche Informationen, nicht nur für die Ermittlung der Gesamtmenge an OBS benötigt, sondern auch für dessen Verteilung in Raum und Zeit und zu dessen Qualität. In dieser Studie wurde die Verwendung der Spektroskopie im mittleren Infrarot-Bereich (MIR-Spektroskopie) als Indikator für Bodenqualität oder Bodenzusammensetzung für verschiedene Anwendungen untersucht, um somit die Verteilung der Beschaffenheit verschiedener Böden und Fraktionen zu messen und um zu erörtern wie diese neuen Methoden im Vergleich zu traditionellen Methoden für Kurz- und Langzeitsimulationen bei einer OBS-Modellparametisierung verwendet werden können. Als erstes wurden durch Diffus-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie (DRIFTS) bestimmte, im mittleren Infrarot aktive, funktionelle organische Gruppen in Bodenproben von einem Langzeitdüngungsexperiment (Bad Lauchstädt) untersucht, um die Eignung der verschiedenen schwingungsfähigen funktionellen Gruppen als Indikatoren für die langfristigen Auswirkungen verschiedener Düngebehandlungen, als auch deren Vorkommen in verschiedenen, mit Dichtefraktionierungsmethoden getrennten, OBS-Fraktionen festzustellen. Als zweites wurde eine gekoppelte MIR-Emissionsgasanalyse mit einem In-Situ-Monitoring kombiniert um bei einer thermischen Oxidation bis 700°C den in unterschiedlichen Temperaturbereichen auftretenden Veränderungen der schwingungsfähigen, funktionellen Gruppen bestimmte Eigenschaften zuordnen zu können. Schließlich wurden anhand von Ackerböden von Standorten in der Kraichgau und Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland beide Ansätze als effizientere Alternativen zu traditionellen OBS-Fraktionierungen zur Parametrierung von OBS-Poolgrößen im Century-OBS-Modell verglichen. Das Langzeitexperiment (Bad Lauchstädt) hat gezeigt, dass bestimmter schwingungsfähige, funktionelle Gruppen (z.B. aliphatisch (2930 1/cm) und aromatisch (1620 1/cm)) sich je nach Langzeitapplikation von Stalldünger und/oder Mineraldünger im Boden unterscheiden (P < 0.05). Die Applikation von 30 Mg ha-1 Stalldünger alle zwei Jahre erhöhte den Anteil an Aliphaten gegenüber Aromaten, während das Gegenteil für die Kontrollbehandlung (ohne Mineraldünger oder Stallmist) gilt. Das Verhältnis der relativen Peakflächen der Aromaten zu dem der Aliphaten steht in positivem Zusammenhang zum Verhältnis von stabilem (organischer Bodenkohlenstoff (SOC) in schweren Dichtefraktionen und Tonfraktion) zu labilem SOC (leichte Dichtefraktion). Das ließ darauf schließen, dass das Peakflächenverhältnis (aromatisch zu aliphatisch) ein Indikator für den relativen Beitrag von stabilem zu unbeständigem OBS ist und somit als Stabilitätsindex dient. In der nächsten Phase der methodischen Entwicklung, wurde die Emissionsgasanalyse (EGA) während einem programmierten Aufheizen von Bodenproben bis 700°C eingesetzt, um die Verbindung von EGA-Eigenschaften mit OBS zu untersuchen. Ein zusätzlicher Verfahrensschritt war die Verwendung der In-Situ Diffus-Reflexions (in situT DRIFTS) Messungen, als ein Indikator des Zersetzung der OBS s bei verschiedenen Temperaturen. Es wurde festgestellt, dass die thermische Stabilität sowohl durch die experimentellen Bedingungen als auch durch den Probentyp beeinflusst wurde. Die Aufheizgeschwindigkeit, die Menge C in der Probe und das Volumen der Probe in der Heizkammer veränderten die Geschwindigkeit und die Gesamtform der CO2-Emissionskurve und mussten für einen Vergleich der verschiedenen OBS Fraktionen optimiert werden. Auch bei dem Langzeitexperiment wurde anhand der gemessenen Temperatur, der maximalen CO2-Entwicklung, eine abnehmende thermische Stabilität in folgender Reihenfolge gefunden: Kontrolle > Mineraldünger > Stallmist > Stallmist und Mineraldünger. Es wurde auch festgestellt, dass sich nach einer 490 Tage dauernden Inkubation die thermische Stabilität geringfügig erhöhte. Bei der In-SituT DRIFTS Methode nahm die Intensität der zuvor identifizierten schwingungsfähigen funktionellen Gruppen bei verschiedenen Temperaturen ab. Zuerst verringerte sich die Intensität der aliphatischen, alkoholischen und Carboxylatgruppen, bei höheren Temperaturen auch bei aromatischen Gruppen. Diese temperaturabhängigen Veränderungen dienten der Identifizierung von mehreren Peaks unterschiedlicher Reaktivität auf der CO2-Kurve, aus denen sich verschiedene OBS-Modell-Pools ableiteten lassen. Die von den gemessenen Fraktionen der funktionellen Gruppen im mittleren Infrarotbereich (aliphatisch, carboxyl/aromatisch, aromatisch), den angepassten Peaks der CO2-Emissionsgasanalyse (320°C, 380°C, 540°C), und von den Größen- und Dichtefraktionierung (partikuläre organischen Substanz, schwere Dichtefraktion, Schluff- und Tonfraktion) abgeleiteten Pools, wurden zusammen mit dem Langzeitlauf eines Gleichgewichtsmodells verwendet um die OBS-Pools des Century-Modells, welches Bestandteil des Modells zur Bewertung von Landnutzungsänderung (LUCIA) ist, zu parametrisieren und mit den an der Bodenoberfläche in zwei Jahren gemessenen CO2-Flüssen und der organischem Bodenkohlenstoffmenge verglichen. Der erfolgreichsten OBS-Modellpool-Parameterisierungsansätze für die Kurzzeitstudie waren die OBS-Fraktionierung zusammen mit den DRIFTS und EGA Pool-Initialisierungsmethoden. Die Unterschiede über zwei Jahre Laufzeit für die drei verschiedenen Parametrisierungsmethoden waren sehr klein und für gewöhnlich wurden die CO2-Flüsse unterschätzt. Andererseits hat eine Simulation über einen Zeitraum von 20 Jahren, bei Beibehaltung aller anderen Konstanten, große Veränderungen sowohl bei der Menge an SOC (14 Mg/ha, 0 bis 30 cm) als auch bei der Verteilung in den Pools gezeigt. Im Vergleich zur SOC-Basislinie von 2010, zeigten die DRIFTS, EGA-1 und OBS-Fraktionierungsmethoden für den Standort Kraichgau die größte Annäherung, während die Equilibrium-Methode für den Standort Schwäbische Alb am nächsten war. Insgesamt zeigte die DRIFT MIR-Spektroskopie ihre Nützlichkeit als schnelle Bewertungsmethode für die allgemeinen Verteilung von stabiler zu unbeständiger organischen Substanz im Boden. Ergänzend kann diese Technik, zusätzliche Informationen zur thermischen Zersetzung von OBS beim Erhitzen liefern, wenn sie mit EGA und In-SituT DRIFTS Messungen gekoppelt wird. Alle untersuchten Methoden zeigten Veränderungen zwischen den OBS-Fraktionen als Folge des Bodendüngemanagements. Schließlich wurde gezeigt, dass diese Informationen für direkte OBS-Modelleingaben verwendet werden können, wobei die Methode aber auch noch für andere Landnutzungen und Bodenarten getestet werden sollte. Diese thermisch gekoppelten spektroskopischen Techniken im mittleren Infrarot stellen einen Fortschritt bei der Verwendung der MIR-Spektroskopie auf dem Gebiet der detaillierten OBS-Charakterisierung zur Modellierung von OBS-Dynamiken dar

Benefits and trade-offs of legume-led crop rotations on crop performance and soil erosion at various scales in SW Kenya

Soil erosion and land fragmentation threaten agricultural production in large parts of the Western Kenyan Highlands. In Rongo watershed, maizecommon bean intercropping systems, which dominate the agricultural landscape, are vulnerable to soil degradation, especially on long slope lengths where ground and canopy cover provision fail to protect the soil from the disruptive impact of raindrops. The inclusion of soil conservation measures like hedgerows, cover crops or mulch can reduce soil erosion, but compete with crops for space and labour. Knowledge of critical slope length can minimise interventions and tradeoffs. Hence, we evaluated maizecommon bean intercrop (MzBn) regarding runoff, erosion and crop yield in a slope length trial on 20, 60 and 84 m plot lengths, replicated twice on three farms during one rainy season in Rongo, Migori County. Additionally, we investigated systems of MzBn (farmers practice), MzBn with 5 Mg ha-1 Calliandra calothyrsus mulch (Mul), Arachis hypogaea (Gnt), Lablab purpureus (Lab) and Mucuna pruriens (Muc), regarding their impact on infiltration, runoff, soil loss, soil C and N loss during three rainy seasons (long and short rains, LR and SR, 2016, and LR 2017). Measured field data on soil, crop, spatial maps and meteorology were used as input datasets to parameterize and calibrate the LUCIA model. The calibrated and validated model was then used to simulate agronomic management scenarios related to planting date (planting with first rain vs baseline) and vegetation cultivar (short duration crop) to mitigate water stress. Based on the measurements, groundcover was most influential over rainfall intensity (EI30) and plant canopy cover in predicting soil loss. Dense groundcover of Mul at the beginning of the rainy seasons was decisive to significantly (p 5mm) in the topsoil under Mul at the end of SR 2016 significantly (p<0.05) increased infiltration rates (420 mm hr-1) in LR 2017 compared to Lab (200 mm hr-1) and Gnt (240 mm hr-1). Average C and N concentrations in eroded sediments were significantly reduced under Mul (0.74 kg C ha1, 0.07 kg N ha1) during the LR 2016 as compared to MzBn (3.20 kg C ha1, 0.28 kg N ha1) and Gnt (2.54 kg C ha1, 0.23 kg N ha1). Likewise, in SR 2016 Mul showed significantly lowered C and N losses of 3.26 kg C ha1 and 0.27 kg N ha1, respectively, over Lab (9.82 kg C ha1, 0.89 kg N ha1). Soil loss over 84 m slope length was overall significantly higher by magnitudes of 250 and 710% than on 60 and 20 m long plots, respectively, which did not differ significantly among each other (p<0.05). For runoff, 84 m plot length differed significantly from 60 and 20 m, but in the opposite trend as for soil loss. Across all three farms, slope gradient and slope length were the variables with highest explanatory power to predict soil loss. At the individual farm level, under homogeneous slope and texture, slope length and profile curvature were most influential. Considering results of slope length experiments, plot lengths less than 50 m appear to be preferential considering soil loss, sediment load, and soil loss to yield ratio under the given rainfall, soil and slope conditions. Our results call for integrating slope length options and cropping systems for effective soil conservation. We recommend planting Mucuna and Calliandrahedgerows as buffer strips below the critical slope length, and legume cash crops and maize uphill. Such approaches are critical in the backdrop of land fragmentation and labour limitation in the region to sustainably maximise land area. In the modelling exercise, crops planted one and three weeks after the baseline planting date increased Maize and Muc grain yield over the baseline during the three cropping seasons, the three weeks treatment in particular. This could be due to more favourable weather conditions during the shifted vegetation period. Increased grain yield corresponded to high water use efficiency (WUE). The short duration crop planted three weeks after the baseline planting date (PD3WL+SDC10) showed the highest grain yield after PD3WL (three weeks late plaing with BL variety). The use of cultivars with short growth cycle offers the flexibility of planting again where crops failed due to crop water stress or where the rains delay, ensuring completion of the growth cycle before the season ends. Given that short growth duration crops produce less grain yield compared to their counterpart full season crops, due to the length of their cycles, breeding programs must prioritize traits that can enhance the size of the grain-filling sink. At the plot level, management systems that reduce evaporation and retain soil moisture, e.g. mulching, application of farmyard manure etc., must be promoted to reduce evapotranspiration.Bodenerosion und Kleinteiligkeit von Betriebsflächen bedrohen die landwirtschaftliche Produktion in weiten Teilen des westkenianischen Hochlands. Im untersuchten Wassereinzugsgebiet von Rongo sind die weit verbreiteten Mais-Bohne-Mischkkultursysteme gefährdet durch Bodendegradierung. Dies ist vor allem auf langen Hängen und dort der Fall, wo der Oberboden nicht durch entsprechende Bodenbedeckung vor Schlagregen geschützt ist. Bodenschutzmaßnahmen wie Hecken, Bodendecker oder Mulch können das Ausmaß von Bodenerosion verringern, konkurrieren aber oft mit der Hauptkultur um Raum bzw. Arbeitskraft. Der gezielte Einsatz solcher Interventionen ausschliesslich in Bereichen kritischer Hangpositionen kann solcherlei Aufwand und Konkurrenzeffekte minimieren. In diesem Zusammenhang wurden in der hier vorgestellten Studie Mais-Bohne-Mischkulturen (MzBn) während einer Anbausaison auf drei unterschiedlichen Hanglängen (20, 60 und 84 m) mit jeweils zwei Wiederholungen auf drei Betrieben in Rongo, Migori County, hinsichtlich Oberflächenabfluss, Erosion und Ertrag verglichen. Zudem wurden MzBn, MzBn mit 5 Mg ha-1 Calliandra calothyrsus Mulch (Mul), Arachis hypogaea (Gnt), Lablab purpureus (Lab) und Mucuna pruriens (Muc) hinsichtlich Infiltration, Oberflächenabfluss, Erosion, organischem Boden-C und Gesamt-Boden-N während dreier Anbauperioden (lange und kurze Regenzeit 2016 und lange Regenzeit 2017) verglichen. Gemessene Boden- und Pflanzenparameter sowie Boden-, Landnutzungskarten und ein digitales Höhenmodell wurden nebst tagesgenauen Wetterdaten als Eingaben für das Lucia (Land Use Change Impact Assessment)-Modell verwendet. Mit dem kalibrierten und validierten Modell wurden dann Szenarien zum Wasserstressmanagement mit Fokus auf Aussaatzeitpunkten und Sortenwahl (verschiedene Vegetationsdauer) getetstet. Die Auswertung der Feldversuche zeigte, dass der Grad der Bodenbedeckung (durch Biomasse, Mulch und Streu) stärkeren Einfluss auf Bodenabtrag hatte als Regenintensität (EI30) und Bodenbedeckung des Blätterdachs allein. Die dichte Bodenbedeckung durch Calliandramulch in Mul zu Beginn der Saison war dabei entscheidend für signifikant geringeren Oberflächenabfluss (88, 87 und 84% niedriger als in MzBn, Lab und Gnt) und Bodenabtrag (66 und 65% niedriger als in Gnt und Lab). Der hohe Anteil großer Bodenaggregate > 5mm im Oberboden zum Ende der kurzen Regenzeit (SR) 2016 stand in Zusammenhang mit im Vergleich zu Lab (200 mm hr-1) and Gnt (240 mm hr-1) signifikant erhöhten Infiltrationsraten unter Mul (420mm h-1) in der langen Regenzeit (LR) 2017. Durchschnittliche C- und N-Konzentrationen in Sedimenten waren in der LR 2016 unter Mul (0.74 kg C ha1, 0.07 kg N ha1) signifikant niedriger als unter MzBn (3.20 kg C ha1, 0.28 kg N ha1) und Gnt (2.54 kg C ha1, 0.23 kg N ha1). Ebenso waren in der SR 2016 C- und N-Verluste deutlich geringer als unter Lab (3.26 kg C ha1 und 0.27 kg N ha1 im Vergleich zu 9.82 kg C ha1 und 0.89 kg N ha1). Bodenabtrag bei 84 m Hanglänge war 250 bzw. 710% höher als auf den 60 und 20 m Anlagen, wobei sich letztere statistisch (p<0.05) nicht unterschieden. Hinsichtlich Oberflächenabfluss unterschieden sich die Hanglängen ebenfalls statistisch, aber in entgegengesetzter Richtung. Im Vergleich der Flächen auf allen drei Betrieben waren Hangneigung und länge die statistisch einflussreichsten Faktoren bezüglich Bodenabtrag. Auf den einzelnen Betrieben, d.h. bei gleich Hangneigung und Bodenart, waren Hanglänge und Hangform ausschlaggebend. Als Ergebnis der Hanglängenversuche erwies sich eine Länge von 50 m unter den gegebenen Wetter-, Boden- und Geländebedingungen als kritisch bzgl. Erosion, Sedimentmengen und dem Verhältnis von Erosion zu Ertrag. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass effektiver Bodenschutz vor allem durch die Integration von Hanglänge und Anbausystem (Pflanzenwahl) erreicht werden kann. Es wird empfohlen Calliandra-Hecken mit Mucuna-Unterpflanzung als Pufferzonen in Streifen unterhalb der kritischen Hanglänge anzulegen sowie Körnerleguminosen und Mais als cash crops oberhalb. Durch diesen Ansatz kann vor dem Hintergrund der Landfragmentierung und Knappheit an Arbeitskraft in der Untersuchungsregion die nutzbare Landfläche nachhaltig optimiert werden. Der Modellierungsteil dieser Studie zeigte, dass Erträge bei einer und besonders bei drei Wochen späterem Aussaatzeitpunkt im Vergleich zum lokal üblichen Termin während aller drei Anbauperioden zu höheren Kornerträgen führte. Grund hierfür könnten günstigere Wetterbedingungen während der somit verschobenen Vegetationsperiode sein. Die höheren Erträge gingen einher mit effizienterer Wassernutzung der Pflanzen. Eine Sorte mit verkürzter Vegetationsperiode, drei Wochen nach dem üblichen Termin gepflanzt (PD3WL+SDC10), erzielte die höchsten Erträge. Sorten kürzerer Vegetationsdauer bieten allgemein höhere Flexibilität in Fällen spät einsetzender Regenfälle oder von Pflanzenmortalität, da auch bei wiederholter Aussaat die Regenzeit noch hinreichend genutzt werden kann. Angesichts der niedrigereren Ertragbildung während verkürzter Vegetationsdauer sollte ein höherer Kornanteil prioritäres Zuchtziel für zukünftige Sorten sein. Auf der Seite der Landwirte bedeutet dies, dass vermehrt Anbausysteme, die Evaporation verringern und Bodenfeuchte konservieren (z.B. Mulchen, Mistgaben), zur Anwendung kommen sollten

Measuring and modelling carbon stocks in rubber (Hevea brasiliensis) dominated landscapes in Subtropical China

Rubber 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 (&#8807;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 (&#8807;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