Standortsökologische Aspekte und Anbaupotenziale von Kurzumtriebsplantagen in Sachsen

Kurzumtriebsplantagen (KUP) besitzen das Potenzial, beträchtliche Mengen Biomasse für die Versorgung mit erneuerbaren Energien und nachwachsenden Rohstoffen bereitzustellen. Es ist bekannt, dass KUP auf landwirtschaftlichen Flächen mehr Ökosystemdienstleistungen hervorbringen können als üblicherweise angebaute einjährige Ackerfrüchte oder Energiepflanzen wie Raps und Mais. Trotzdem gibt es nur wenige Informationen über den Wasserverbrauch und die Transpiration von Pappelarten und ihren Hybriden unter den spezifischen Standortsbedingungen in Deutschland. Darüber hinaus bestehen Wissenslücken für die Abschätzung langfristiger Auswirkungen von KUP auf bodenökologische Aspekte. Um diese Defizite zu minimieren wurden auf einem Standort im mittelsächsischen Löss-Hügelland Felduntersuchungen durchgeführt. Für die Untersuchung der Effekte von KUP auf die Bodenwasserbilanz wurden Saftfluss- und Bodenfeuchte-Messungen in einer 10jährigen Hybrid-Pappelplantage durchgeführt. Darüber hinaus wurden Biomasseakkumulation, Nährelementverteilung und bodenökologische Parameter erforscht. Die Daten wurden genutzt, um ein prozess-orientiertes Wasserhaushaltsmodell zu parametrisieren und zu kalibrieren. Das validierte Modell wurde danach für die Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Pappel-KUP und Winterweizen auf die Wasserbilanz verschiedener sächsischer Standorte genutzt. Schließlich wurden die standortsspezifischen Biomasseerträge von KUP hergeleitet. Diese Informationen wurden mithilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) mit den Flächen verschnitten, auf denen der Anbau von KUP zu Synergien bzw. potenzielle Risiken für den Bodenschutz sowie den Natur- und Landschaftsschutz führen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Hybrid-Pappelplantagen deutlich mehr Wasser als Ackerkulturen und einheimische Forstbaumarten verbrauchen. Es kann daraus abgeleitet werden, dass die Anlage von KUP auf Ackerflächen den wassergebundenen Nährstoffaustrag sowie den Austrag von Schadstoffen reduziert. Auch das Erosionsrisiko würde verringert. Andererseits kann eine im vergleich zum Einzugsgebiet großflächige Anlage von KUP in Regionen mit negativer klimatischer Wasserbilanz zu einer geringeren Grundwasserneubildung führen. Eine ausreichende Wasserversorgung ist unverzichtbar, um die Wuchspotenziale von Pappel-Hochleistungssorten voll auszuschöpfen. Pappel-KUP können weitgehend ohne zusätzliche Düngung bewirtschaftet werden. Ehemals intensiv genutzte Ackerböden enthalten ausreichend Nährstoffe und Elemententzüge über die geerntete Biomasse werden durch atmosphärische Depositionen ausgeglichen. Auf lange Sicht kann der KUP-Anbau jedoch zu einer Verringerung des pH-Wertes und der Kationen-Austauschkapazität im Boden führen. Für die Vermeidung negativer Folgen für die Bodenfruchtbarkeit und das Pflanzenwachstum wären dann angepasste Konzepte für die Kalkung und Düngung notwendig. Die GIS-basierte Analyse unterstreicht, dass in Sachsen beträchtliche Flächenpotenziale für die Anlage von KUP existieren. Auf einem großen Teil würde die Anlage von KUP auch andere Ökosystemdienstleistungen aus dem Bereich Boden- und Naturschutz verbessern. Auch künftig sollte bei der Anlage von KUP-Flächen eine ökologische Begleitforschung erfolgen. Es besteht unter anderem der Bedarf, die ökologischen Aspekte von anderen schnell wachsenden Baumarten im Kurzumtrieb, zum Beispiel Robinie zu bewerten. Ein weiteres ziel könnte die Verbesserung von Anlage- und Rückumwandlungstechnologien sein, um die Stabilität von akkumulierter organischer Bodensubstanz zu erhalten. Es wird geschlussfolgert, dass die künftige praktische Bedeutung von KUP eher von den sozioökonomischen Rahmenbedingungen und der regionalen Umsetzung der gemeinsamen Agrarpolitik der Europäischen Union abhängen wird als von unzureichenden Standortsbedingungen.Short rotation plantations and short rotation coppice (SRC) have the potential to contribute significant amounts of biomass to the sectors of green energy and of renewable raw materials. It is generally accepted that SRC may provide more ecosystem services on agricultural land than common annual arable or even energy crops like oil seed rape or maize do. However, only sparse information exists about the water demand and transpiration of poplar species and their hybrids for site conditions in Germany. Furthermore, there is a lack of knowledge about the long-term impact of short rotation plantations on soil ecology. To overcome these shortcomings, field investigations were conducted at a site in the hilly loess region of Saxony. To study effects of SRC on the soil water balance, sap flow and soil moisture measurements were conducted in a 10 years old hybrid poplar plantation. Moreover biomass accumulation, nutrient allocation and soil ecological parameters were determined. The data were used to parameterize and calibrate a process-oriented hydrological model. The validated model was subsequently used to determine and assess the impact of short rotation poplar plantations and winter wheat on the water balance of different sites in Saxony Finally, site specific yields of SRC were determined and areas with synergies and potential risks for soil protection, nature conservation at the regional scale were identified using Geographical Information Systems. The results show that hybrid poplar plantations consume significantly more water than arable crops and native tree species. Thus, it can be expected that the establishment of short rotation coppice may reduce the export of nutrients and pollutants or lower the risk of soil erosion. On the other hand, the large-scale establishment of short rotation coppice at catchments with negative climatic water balance may lead to a decrease of groundwater recharge. A sufficient water supply is indispensable in order fully to exploit the growth potential of high yielding polar clones. Short rotation plantations with poplar on arable land may be extensively managed without fertilization. Former intensively used agricultural soils provide sufficient nutrients and element exports by harvested biomass may be balanced by atmospherical deposition. However, it might be that in the long run cation exchange capacity and pH of the soils will decrease. This would require appropriated concepts for liming and fertilization. The GIS based analysis shows that there exist a substantial potential of arable land for the cultivation of SRC in Saxony. There, the establishment of SRC may improve other ecosystem services as soil protection and nature conservation too. Future research should be included into the ecological evaluation of new SRC plots. There is a need to asses ecological aspects of other fast growing tree species in SRC, in particular Black Locust. Another task could be the improvement of conversion practices to ensure the stability of accumulated soil organic matter during establishment and reconversion of SRC sites. It can be concluded that the future practical relevance of SRC is rather dependant on socio-economic framework conditions and the regional implementation of the common agricultural policy within the European Union than on insufficient site condition

Welche Unsicherheiten resultieren aus der Berechnung der nutzbaren Feld-kapazität auf Basis aggregierter Leitprofile?

Im Rahmen der forstlichen Standortskartierung in Ostdeutschland wurden für die Waldböden flächig Lokal-Bodenformen kartiert, die mit ökologisch relevanten Informationen unter anderen zum Substrat, zur Umlagerungsserie und zum Horizontfolgetyp hinterlegt sind. Diese Flächeninformationen werden durch zahlreiche Weiserprofile (Altdaten) ergänzt, denen neben Profilbeschreibungen aus den Felderhebungen auch bodenphysikalische und bodenchemische Laborergebnisse zugeordnet werden können. Diese Laboranalysen dienten in der Vergangenheit auch der systematischen, semiempirischen Entwicklung des Systems der Lokal-Bodenformen. Die flächenhafte Kartierung der Lokal-Bodenformen ermöglicht die Verknüpfung der Flächeninformation mit Punktinformationen (Weiserprofile). Damit kann die kartierte Fläche mit repräsentativen Bodeneigenschaften wie zum Beispiel Textur, Trockenrohdichte und Skelettgehalt untersetzt werden. Aus mehreren Weiserprofil¬aufnahmen wird ein aggregiertes Leitprofil erstellt. Diese Aggregierung kann kontinuierlich dem Tiefenverlauf folgend, schichtweise oder getrennt für genetische Bodenhorizonte vorgenommen werden. Die daraus resultierenden Eigenschaften des Leitprofils sind aufgrund der verschiedenen Aggregierungsansätze mit Unsicherheiten behaftet. Auf daraus ableitbare Kenngrößen wie die nutzbare Feldkapazität (nFk) werden diese Unsicherheiten übertragen. Im Beitrag sollen die Auswirkungen der Unsicherheiten, die sich aus den unterschiedlichen Aggregierungsansätzen ergeben, auf die Ableitung der nFk am Beispiel von Datensätzen aus Sachsen dargestellt werden. Diese Kenntnis ist für die Interpretation des Standorts-Leistungs-Bezugs von Waldbäumen von großer Bedeutung, da Bodeneigenschaften unter anderem für die Erklärung des Waldwachstums mit den Ergebnissen der Bundeswaldinventur genutzt werden sollen. Die Fragestellung wird im Rahmen des Waldklimafonds-Projektes „Waldproduktivität – Kohlenstoffspeicherung – Klimawandel“ bearbeitet

Wieviel Wasser verbraucht eine Kurzumtriebsplantage?

Beim verstärkten Anbau von Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit schnellwachsenden Baumarten für die Energie und Rohstoffbereitstellung sind hydrologische Auswirkungen auf Standorts- und Landschaftsebene zu erwarten. In der vorliegenden Fallstudie für Sachsen werden ausgehend von Messergebnissen die Komponenten des Wasserhaushaltes von KUP modellgestützt quantifiziert und bewertet. Danach ist der Wasserverbrauch von Kurzumtriebsplantagen zum Teil deutlich höher als bei anderen Landnutzungsformen. Diese Veränderungen führen abhängig von der Lage (Klima) und Größe von KUP zu einer stärkeren Anspan¬nung des Bodenwasserhaushaltes und geringeren Raten der Grundwasserneubildung und weiteren sowohl positiven als auch negativen Folgewirkungen

Ansatz für die modellgestützte Bewertung des Boden-Kohlenstoffhaushalts von Pappel-Kurzumtriebsplantagen

Kurzumtriebsplantagen (KUP) haben auf¬grund hoher Streuproduktion und lang¬jähri¬ger Bodenruhe das Potenzial, im Boden organischen Kohlenstoff (Corg) anzureichern. Langjährige Untersuchungen, die eine Verall¬gemeinerung von Menge und zeitlicher Dimen¬sion zulassen, fehlen jedoch für Mitteleuropa. In der vorliegenden Studie wird ein Ansatz vorgestellt, wie mithilfe prozessorientierter Modellierung generalisierende Aussagen erreicht werden können. Die Erkenntnisse bisheriger Studien auf einem Löss-Standort in Sachsen werden im vorgestellten Beispiel für die Parametrisierung eines Prozess-Modells verwendet. Für die modellgestützte Bewertung des C-Haushalts ist zunächst die Berücksichtigung weiterer Felduntersuchungen notwendig

Toda chains with type A_m Lie algebra for multidimensional m-component perfect fluid cosmology

We consider a D-dimensional cosmological model describing an evolution of Ricci-flat factor spaces, M_1,...M_n (n > 2), in the presence of an m-component perfect fluid source (n > m > 1). We find characteristic vectors, related to the matter constants in the barotropic equations of state for fluid components of all factor spaces. We show that, in the case where we can interpret these vectors as the root vectors of a Lie algebra of Cartan type A_m=sl(m+1,C), the model reduces to the classical open m-body Toda chain. Using an elegant technique by Anderson (J. Math. Phys. 37 (1996) 1349) for solving this system, we integrate the Einstein equations for the model and present the metric in a Kasner-like form.Comment: LaTeX, 2 ps figure

Spatially differentiated modeling and evaluation of soil water conditions in forest sites of low mountain ranges

The forest hydrological model BROOK 90 was integrated into a GIS framework to calculate and evaluate soil water conditions in forest sites based on climate, topography, soil, and tree species. Model results are visualized in a novel forest site map using indicators for soil drought, soil water excess, and transpiration constraints. Based on knowledge of the number of days in which thresholds of these indicators were exceeded, an evaluation framework for soil water conditions was developed. The model was tested at the Tharandt Forest for an area with varying soil conditions and different tree species. Results can be used to derive and test new forest management strategies. For instance, recommendations for achieving optimum growth based on tree species or stand structure choices can be derived. Further research should focus on relating soil water indices with growth indices.Auf der Basis des forsthydrologischen Modells BROOK 90 wurde ein Modellsystem zur Berechnung und Beurteilung des Standortswasserhaushaltes in Abhängigkeit von Klima, Relief, Boden und Bestockung entwickelt. Implementierte Indikatoren zur Ausschöpfung des Bodenwasservorrates, der Einschränkung der Transpiration und des Auftretens von Staunässe erlauben eine Visualisierung der Modellergebnisse in Form neuartiger Standortskarten. Basierend auf der Kenntnis der Unterschreitungshäufigkeiten von Schwellenwerten dieser Indikatoren wurde ein fünfstufiger Bewertungsrahmen für den Wasserhaushalt aufgestellt. Das Modell wurde im Tharandter Wald für ein Gebiet mit variierenden Böden und unterschiedlicher Bestockung (Buche, Eiche, Fichte und Kiefer) getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Vorgehensweise eine differenzierte Informationsgrundlage für die forstliche Planung liefert. Beispielsweise können Entscheidungen zu Baumartenwahl und Bestandesstruktur abgeleitet werden. Forschungsbedarf besteht vor allem in der Verknüpfung der im Modell implementierten Indikatoren des Wasserhaushaltes mit Wachstumsparametern und physiologisch definierten Schwellenwerten

Einstein and Brans-Dicke frames in multidimensional cosmology

Inhomogeneous multidimensional cosmological models with a higher dimensional space-time manifold M= M_0 x M_1 ...x M_n are investigated under dimensional reduction to a D_0-dimensional effective non-minimally coupled sigma-model which generalizes the familiar Brans-Dicke model. It is argued that the Einstein frame should be considered as the physical one. The general prescription for the Einstein frame reformulation of known solutions in the Brans-Dicke frame is given. As an example, the reformulation is demonstrated explicitly for the generalized Kasner solutions where it is shown that in the Einstein frame there are no solutions with inflation of the external space.Comment: 27 pages, Revte

Integration of D-dimensional 2-factor spaces cosmological models by reducing to the generalized Emden-Fowler equation

The D-dimensional cosmological model on the manifold $M = R \times M_{1} \times M_{2}$ describing the evolution of 2 Einsteinian factor spaces, $M_1$ and $M_2$, in the presence of multicomponent perfect fluid source is considered. The barotropic equation of state for mass-energy densities and the pressures of the components is assumed in each space. When the number of the non Ricci-flat factor spaces and the number of the perfect fluid components are both equal to 2, the Einstein equations for the model are reduced to the generalized Emden-Fowler (second-order ordinary differential) equation, which has been recently investigated by Zaitsev and Polyanin within discrete-group analysis. Using the integrable classes of this equation one generates the integrable cosmological models. The corresponding metrics are presented. The method is demonstrated for the special model with Ricci-flat spaces $M_1,M_2$ and the 2-component perfect fluid source.Comment: LaTeX file, no figure

Mental Health in German Paralympic Athletes During the 1st Year of the COVID-19 Pandemic Compared to a General Population Sample

Introduction: The COVID-19 pandemic has huge influences on daily life and is not only associated with physical but also with major psychological impacts. Mental health problems and disorders are frequently present in elite paralympic athletes. Due to the pandemic situation, new stressors (e.g., loss of routine, financial insecurity) might act upon the athletes. Therefore, the assessment of mental health in athletes during the COVID-19 pandemic is important to identify prevalence of psychological problems and propose countermeasures. Methods: The mental health of German paralympic athletes was longitudinally monitored (starting in May 2019). The athletes completed the Patient Health Questionnaire 4 (PHQ-4) on a weekly basis and reported a stress level, training hours, and training load. During the pandemic, 8 measurement time points (March 2020 to April 2021) were used to reflect the psychological health course of the athletes. In parallel, a convenience sample of the general population was questioned about their psychological distress, including the PHQ-4. To be included in the analysis, participants of both groups had to complete at least 4 measurement time points. Matching of the para-athletes and the general population sample was prioritized upon completion of the same measurement time points, gender, and age. Results: Seventy-eight paralympic athletes (40 women, 38 men, age: 29.8 ± 11.4 years) met the inclusion criteria. Seventy-eight matched pairs of the general population (40 women; 38 men; age: 30.5 ± 10.9 years) were identified. The para-athletes had a significantly (p < 0.0001; 0.39 < r < 0.48) lower PHQ-4 value at each measurement time point compared to the matched control group. No significant age or sex differences were evident regarding the symptom burden. In para-athletes, no significant and a weak positive correlation was found between decreased training load and PHQ-4 values and Mental Health in Para-Athletes During COVID-19 a stress level, respectively. Reduced physical activity was significantly (p < 0.0001) associated with higher PHQ-4 values in the general population sample. Discussion: Lower PHQ-4 values were reported by the para-athletes compared to the general population sample. However, small sample sizes must be considered while interpreting the data. Nevertheless, adequate support for individuals suffering from severe psychopathological symptoms should be provided for para-athletes as well as for the general population