Cluster A: Rurbane Landnutzungsmuster und deren sozial-ökologische Treiber

Das Projekt A01 zielt darauf ab, das Potenzial der baumbasierten Landwirtschaft zur Förderung einer nachhaltigen Rurbanität in einer Region in Marokko zu untersuchen, die als sozial-ökologisches Modellsystem dient. Durch die Kombination biophysikalischer und soziokultureller Daten auf verschiedenen Ebenen soll das Projekt ein neues Verständnis der Auswirkungen baumbasierter landwirtschaftlicher Entwicklung auf das Angebot, die Verteilung und den Zugang zu Ökosystemdienstleistungen und ihren Beitrag zur Entstehung von Rurbanität vermitteln. Darüber hinaus soll mit Hilfe von Fernerkundungs- und Felddaten untersucht werden, wie die baumbasierte Landwirtschaft rurbane Landschaften verändert hat. Durch die Analyse des sozial-ökologischen Kontextes und der räumlich-zeitlichen Dynamik soll ein umfassenderes Konzept für multifunktionale Agrarlandschaften in rurbanen Gebieten entwickelt werden. Das Projekt beginnt mit der Identifizierung und Kartierung der sozial-ökologischen Systeme der sich rasch verändernden baumbasierten Landwirtschaft in rurbanen Kontexten. Anschließend wird das Projekt die Veränderungen der rurbanen Landnutzung und der Bodenbedeckung von 2005 bis heute nachverfolgen und die Zusammenhänge zwischen dieser räumlich-zeitlichen Dynamik und den sozial-ökologischen Faktoren untersuchen. Schließlich wird das Projekt eine Reihe von Ökosystemleistungen quantifizieren, die von verschiedenen Arrangements baumbasierter Landwirtschaft für lokale Akteurinnen und Akteure erbracht werden, wobei sowohl einfach strukturierte als auch vielfältige Agroforstsysteme berücksichtigt werden und Faktoren wie Geschlecht, wirtschaftlicher Status und andere übergreifende Aspekte des Managements von Ökosystemleistungen einbezogen werden.

Projektleitung:
Michael Wachendorf - Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe, Universität Kassel
Jayan Wijesingha - Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe, Universität Kassel
Tobias Plieninger - Sozial-ökologische Interaktionen in Agrarsystemen, Universität Kassel
Mitverantwortlich: Andreas Braun - Mensch-Umwelt Interaktionen, Universität Kassel

Internationale Partner:
Kenza Ait El Kadi & Taha Lahrech - IAV Hassan II, Rabat, Marokko

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Das Projekt A02 befasst sich mit der Frage, wie baumbasierte Landnutzungsdiversifizierung Konflikte zwischen Bodenfunktionen in rurbanen sozial-ökologischen Systemen abschwächen kann. Rurbane Transformationsprozesse sind eng mit Veränderungen in der Landnutzung verbunden und beeinflussen das Niveau und die Stabilität der Bodenfunktionen. Die In- und Extensivierung der Landwirtschaft sowie die Homogenisierung und Diversifizierung der Landnutzung treten in rurbanen „Assemblages“ nebeneinander auf und wirken sich unter anderem auf die Primärproduktivität, den Wasser- und Kohlenstoffkreislauf aus. Eine entscheidende Herausforderung besteht darin, Kompromisse zwischen Bodenfunktionen, die von eher privatem oder eher öffentlichem Interesse sind, zu finden (z. B. Ertrag für Landwirte gegenüber Kohlenstoffbindung und Nährstoffretention für öffentliche Empfänger). Diese Kompromisse zwischen Bodenfunktionen sollten auch robust gegenüber klimatischen und sozioökonomischen Störungen sein. Baumbasierte Systeme könnten bei der Bewältigung dieser Zielkonflikte eine zentrale Rolle spielen, wie für gemäßigte und semiaride Regionen gezeigt wurde. Es gibt jedoch nur wenige empirische Belege dafür, wie solche Systeme die Zielkonflikte verstärken, insbesondere unter den unterschiedlichen sozial-ökologischen Bedingungen rurbaner Landnutzung. Die zentrale Hypothese dieses Projekts ist, dass die Heterogenität, die mit Rurbanität einhergeht, die Multifunktionalität des Bodens fördert. Durch die Kombination empirischer Bodendaten und eines verbesserten Prozessverständnisses mit einem risikosensitiven ökologisch-ökonomischen Betriebs- und Landschaftsmodell wollen wir das Zusammenspiel zwischen baumbasierten Systemen, der Bereitstellung von Bodenfunktionen und der Widerstandsfähigkeit von Betrieben in rurbanen Transformationsprozessen besser verstehen. Unsere empirische Arbeit wird in Phase 1 zunächst in Marokko durchgeführt, während das Betriebs- und Landschaftsmodell auch auf verfügbare Daten für Indien angewendet wird. Wir konzentrieren uns insbesondere auf die Wirkung der organischen Bodensubstanz (OBS) auf Bodenfunktionen. Hierfür führen wir räumliche Analysen von Bodenqualitätsindikatoren durch, die durch die Bewirtschaftung und baumbasierte Landwirtschaft beeinflusst werden. So werden wir beispielsweise die Auswirkungen der OBS auf das Wasserrückhaltepotenzial des Bodens und ihren Beitrag zu einer widerstandsfähigeren Landwirtschaft analysieren. Durch die Integration von Bodenfunktionen und sozioökonomischen Betriebsfunktionen im robusten, multikriteriellen Landnutzungsallokationsmodell optimLanduse werden wir untersuchen, wie sich die Heterogenität der Betriebsausstattung, der Lebensstile und der Wahrnehmungen in rurbanen Gebieten auf die Eignung baumgestützter Systeme auswirkt, gleichzeitig verschiedene Bodenfunktionen bereitzustellen und die Resilienz der landwirtschaftlichen Betriebe zu verbessern. Die daraus resultierenden virtuellen, rurbanen Landschaften werden unser Verständnis darüber verbessern, wie sozial-ökologische Heterogenität mit der Landnutzung und der Bereitstellung von Bodenfunktionen zusammenhängt. Die Kombination von empirischer Bodenforschung mit mechanistischer sozial-ökologischer Modellierung und Co-learning Prozessen wird zu einem umfassenden Verständnis der nachhaltigen Rurbanität beitragen. 

Projektleitung:
Carola Paul, Forstökonomie und nachhaltige Landnutzungsplanung, Universität Göttingen
Christine Wachendorf, Bodenkunde/Bodenökologie, Universität Kassel
Mitverantwortlich: Tobias Weber, Bodenkunde, Universität Kassel

Internationale Partner:
Ngonidzashe Chirinda, UM6P, Ben Guerir, Marokko
Fatiha Hakimi and Nasreddine Maatala, IAV Hassan II, Rabat, Marokko
Sathish Ayyappa, UASB, Bengaluru, India

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Das Projekt A03 untersucht, wie sich Rurbanität auf die Bodengesundheit auswirkt und Ökosystemleistungen des Bodens beeinflusst. Die Untersuchungen werden an zwei Studienstandorten, Accra (Ghana) und Bengaluru (Indien), durchgeführt, wobei Stoffflüsse und Bodenkontamination durch die neuartigen Schadstoffe PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen) und Mikroplastik im Fokus stehen. Wir gehen von der Hypothese aus, dass urbane Böden ein uneinheitliches Verschmutzungsverhalten aufweisen, das von der Geschichte der Landnutzung abhängt. Die Einträge der ausgewählten Schadstoffe, die mit Kompost und Abwasser auf landwirtschaftliche Flächen gelangen, und der aktuelle Stand der Bodenkontamination werden durch Felduntersuchungen und Laboranalysen ermittelt. Mit Hilfe von drohnengestützter multispektraler Bildgebung soll eine Methode zur räumlich verteilten Identifizierung von Mikroplastik im Feld entwickelt werden. Auf Grundlage von Referenzmessungen zur Bodenkontamination, drohnengestützten Bildern, Messungen der elektrischen Leitfähigkeit des Bodens im Feld, Landnutzungskarten und der strukturellen Merkmale bebauter Gebiete werden Risikokarten der potenziellen Bodenverschmutzung erstellt. Darüber hinaus wird der Verbleib der ausgewählten Schadstoffe durch Bodensäulenexperimente im Labor (PFAS) und, in Zusammenarbeit mit dem Projekt A04, in Feldexperimenten mit Kompost und Abwasserausbringung untersucht. Zwei numerische PFAS-Auswaschungsmodelle mit unterschiedlichen Ansätzen zur Simulation des PFAS-Verhaltens werden an den experimentellen Daten kalibriert und für eine Bewertung des PFAS-Verhaltens im Boden bis zum Ende des Jahrhunderts verwendet. Szenarien für das künftige Verhalten der Verbraucher und Regularien werden Informationen über die Verschmutzung des Bodens durch PFAS unter dem Einfluss der Menschen in städtischen Gebieten liefern. Die beiden Studienstandorte in Ghana (Accra) und Indien (Bengaluru) unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Urbanisierungshistorie und physiogeographischer Randbedingungen. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen und die Unterschiede zwischen den Studienstandorten werden analysiert. In Phase 2 werden wir die entwickelten Methoden auf den Studienstandort in Marokko anwenden, unseren Ansatz auf andere neu auftretende Schadstoffe ausweiten und die gewonnenen Daten und die in Phase 1 entwickelten Methoden für einen Upscaling-Ansatz nutzen.

Projektleitung:
Matthias Gassmann, Hydrologie und Stoffhaushalt, University of Kassel
Stephan Peth, Bodenkunde, Leibnitz Universität Hannover

Internationale Partner:
Edward Yeboah, CSIR Soil Research Institute, Kumasi, Ghana
Mike Osei-Atweneboana, CSIR-Water Research Institute, Accra, Ghana
George Nyarko, UDS, Tamale, Ghana
Vincent Kodjo Avornyo, UDS, Tamale, Ghana
Priyanka Jamwal, ATREE, Bengaluru, Indien
A. Sathish, UASB, Bengaluru, India

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Das Projekt A04 wird die Angebots- und Nachfragefunktionen und deren räumlich-zeitliche Veränderungen in rurbanen Systemen Ghanas und Indiens analysieren, die viele miteinander verflochtene ländliche und städtische Merkmale aufweisen. Es geht um die Frage, wie sie Materialflüsse bestimmen, und wie und in welchem Maße die Interdependenz innerhalb und zwischen rurbanen Räumen von Ökosystemleistungen abhängt und diese beeinflusst; dabei werden alle Arten von Ökosystemleistungen berücksichtigt, also bereitstellende, unterstützende, regulierende und kulturelle. Vergleichende Feldforschung wird in der Küstenmetropole Accra in Ghana durchgeführt, sowie in Bengaluru in Südindien, einem global vernetzten Zentrum im Inland. Wir kombinieren Feldmessungen, Dokumentenanalyse, agronomische Experimente, (Satelliten-)Bildanalysen und Modellierung, um Materialflüsse, Nutzung und Kreisläufe ausgewählter natürlicher Ressourcen in rurbanen Räumen zu identifizieren und zu quantifizieren. Hierzu zählen landwirtschaftliche Inputs und Outputs wie Boden, Nährstoffe, Wasser, Ernteerträge und Futtermittel, die für das Nahrungsmittelsystem relevant sind, und deren Erhaltung und Reproduktion regulierende und bereitstellende Ökosystemleistungen darstellen. Agronomische Feldversuche werden eine umfassende Bewertung von Ernteerträgen unter verschiedenen Bewirtschaftungsbedingungen ermöglichen. Auf der Grundlage von Aufzeichnungen in Lagerhäusern, von Verwaltungsstellen und Abfallsammlern werden wir einen Lieferkettenansatz verfolgen und die Lebensmittelströme von der Ernte, über die anschließende Verarbeitung, bis hin zur Abfallproduktion und -entsorgung erfassen (Zusammenarbeit mit A03, B02). In Zusammenarbeit mit A03 ermöglicht es dieser Ansatz, den Weg von Mikro- und Nanoplastik aus rurbanem Abfall im Boden-Wasser-System in Echtzeit zu verfolgen. Die untersuchten mineralischen Ressourcen (Granit und Sand) sind Bestandteile eines Abbausystems, das Baumaterialien für (r)urbane Siedlungen und Infrastruktur liefert. Zeitreihenanalysen älterer Satellitenbilder von Abbaustandorten, die inzwischen als Bewässerungs-Reservoirs dienen, werden herangezogen, um die Auswirkungen des Abbaus auf unterstützende, bereitstellende und kulturelle Ökosystemleistungen zu bewerten. Unser diachroner Ansatz wird es ermöglichen, wichtige Landschaftsmerkmale rurbaner Systeme über die letzten vier Jahrzehnte zu vergleichen. In Phase 2 planen wir eine Ausweitung der Aktivitäten auf sekundäre rurbane Räume wie Tamale in Ghana und Dehradun in Nordindien.

Projektleitung:
Andreas Bürkert, Ökologischer Pflanzenbau und Agrarökosystemforschung in den Tropen und Subtropen, Universität Kassel
Soubadra Devy, ATREE, Bengaluru, Indien, and DITSL, Witzenhausen
Brigitta Schütt, Physische Geographie, Freie Universität Berlin

Internationale Partner:
Akua O. Britwum, University of Cape Coast, Ghana
Martin Oteng-Ababio, University of Ghana, Accra, Ghana
George Nyarko, UDS, Tamale, Ghana
D.C. Hanumanthappa and Mudalagiriyappa, UASB, Bengaluru, India
Sheetal Patil, ATREE, Bengaluru, India

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