Graslandsysteme FS 2021 - Prof. Nina Buchmann, Institut für Agrarwissenschaften

Graslandsysteme
FS 2021

Prof. Nina Buchmann, Institut für Agrarwissenschaften

Vorlesung Graslandsysteme
Logistik

• 6. Semester im B.Sc., 2 ECTS
• Mittwoch, 14:15 – 16:00 Uhr, via Zoom, live-stream,
  Aufnahme
• 24.2.21 – 26.5.21

Motivation der Veranstaltung
Graslandsysteme spielen nicht nur in der Schweiz eine
große Rolle. Auch weltweit ist dieser Landnutzungstyp nicht
zu vernachlässigen. Doch ändern sich auf globalem Maß-
stab nicht nur ihr Aussehen und ihre Bewirtschaftung,
sondern auch ihre Erträge und deren Einflussfaktoren.

Ziele: Graslandsysteme
Sie werden
• wichtige Graslandsysteme, ihre ökologischen
  Besonderheiten und ihr Management auf globalem
  Massstab kennen,
• fähig sein, verschiedenartige Einflüsse auf Erträge und
  Stoffumsätze in Graslandsystemen verschiedener
  Klimate grob abzuschätzen und zu bewerten,
• in der Lage sein, selbstständig mit Fachliteratur zu
  arbeiten, überzeugend zu argumentieren sowie im
  Plenum zu präsentieren.

Interaktive Vorlesung
• Sie stellen Fragen, alle/ich antworten/e, diskutieren, …
• Ich stelle Fragen, Sie antworten, ….
• Ich stelle Aufgaben, Sie bearbeiten diese selbständig
  während der Vorlesung und alle diskutieren die
  Ergebnisse im Plenum.

Handouts online verfügbar vor jeder Vorlesung

Einbettung der Graslandwissenschaften
B.Sc. Agrarwissenschaften
•   Koordination: World Food System, 1. Sem.
•   Öko- und Ertragsphysiologie, 2 ECTS, 3. Sem.
•   Pflanzenbau: Futterbau, 2 ECTS, 4. Sem.
•   Wissenschaftliche Datenauswertung und –präsentation, 5. Sem.
•   Coach: Wissenschaftliches Schreiben, 5. Sem.
                                                   (Gliessman 2007, S. 24)
•   Graslandsysteme, 2 ECTS, 6. Sem.

                                  6. Sem.

                                  4. Sem.

                                  3. Sem.

Einbettung der Graslandwissenschaften

M.Sc. in Agricultural Sciences
Major in Plant Sciences: Agriculture and Environment
• Biogeochemistry and Sustainable Management, 2 ECTS
• Global Change Biology, 2 ECTS
• Stable Isotope Ecology of Terrestrial Ecosystems, 2 ECTS
Major in Plant Sciences: Seminar; Design, Analysis, Communication
• Current Topics in Grassland Sciences, 2 ECTS
• Experimental Design & Applied Statistics in Agroecosystem Science, 3
  ECTS

Termine und Inhalte FS 2021

Unterlagen

https://gl.ethz.ch/education/SpringSemester/grasslandsystems.html

Beurteilung der Lernleistung (2 ECTS)
• Arbeiten mit Fachliteratur: Zwei Länder-Faktenblätter (LF; Formular auf
  Web), individuelle Arbeit, zählen zusammen 30 %.
• Erarbeitung von wissenschaftlichen Texten: Basierend auf einem Länder-
  Faktenblatt wird ein Themen-Essay (TE; Formular auf Web)
  geschrieben (max. 500 Worte) und eine wissenschaftliche Argumentation
  mit 120 Worten in 6 Sätzen zusammengefasst (Info zur 6SA auf Web).
  Zudem wird eine Projektskizze entwickelt, aufbauend auf TE oder 6SA
  (Formular auf Web; max. 2 Seiten). Individuelle Arbeiten, zählen
  gemeinsam 50 %.
• Präsentation eines Themas basierend auf TEs (als Gruppe) im Plenum
  (ca. 30 Min. plus 15 Min. Diskussion). Gruppennote ist individuelle Note.
  Vortrag zählt 20 %.
 benotete Semesterleistung als Leistungskontrolle

Länder-Faktenblätter LFs

         Sie wählen zwei
        Länder Ihrer Wahl

Themen-Essay TE
Basierend auf einer Herausforderung aus einem Ihrer LFs

6SA
Basierend auf einem Ihrer LFs

1.   Einleitung
2.   Ihre Position
3.   Unterstützendes Argument
4.   Mögliche Einwände
5.   Gegenargument
6.   Schlussfolgerung

Projektskizze

Aufbauend auf Ihrem
TE oder 6SA

Fachliteratur und wissenschaftliche Texte
2 Länder-Faktenblätter (LF)
         ein Themen-Essay (TE)              Ein Gruppen-Vortrag
         ein 6SA
                      eine Projektskizze

Kriterien
• Länder-Faktenblatt: Alle Kategorien berücksichtigt, wichtige Aspekte
  genannt bzw. beschrieben, Literatur angegeben
• Themen-Essay: Herausforderung benannt, Relevanz erklärt, Lösung
  mit Grasland-Management angegeben, gut argumentiert, Beispiele
  gegeben
• 6SA: max. 6 Sätze mit jeweils 20 Wörtern, insgesamt 120 Worte,
  Benotung gemäss Kriterienraster
• Projektskizze: Skizze für ein Forschungsprojekt gemäss Formular,
  eigene Idee, Vorgaben eingehalten, Fragestellungen passen zur
  Wissenslücke, Messvariablen passen zur Fragestellung und erlauben
  deren Beantwortung
• Vortrag: elektronische Version geliefert, Vortragszeit eingehalten,
  Präsentation übersichtlich, Ausführung; Inhalt und Argumentation
  korrekt, logisch, Verständlichkeit; Diskussionsfragen beantwortet

Literatur – Lehrbücher - Internet
Archibold OW (1995) Ecology of World Vegetation. Chapman & Hall.
Coupland RT (1992) Ecosystems of the World. Natural Grasslands. Vol. 8A, 8B
Breymeyer AI (1992) Ecosystems of the World. Managed Grasslands. Vol 17A
McGilloway DA (2005) Grassland: A Global Resource. Wageningen Academic
  Publishers.
Suttie JM, Reynolds SG, Batello C (2005) Grasslands of the World. FAO.
  http://www.fao.org/tempref/docrep/fao/008/y8344e/y8344e00.pdf
White R, Murray S, Rohweder M (2000) Pilot Analysis of Global Ecosystems
  (PAGE) Grassland ecosystems. WRI.
Wood S, Sebastian K, Scherr SJ (2000) Pilot Analysis of Global Ecosystems
  (PAGE) Agroecosystems. WRI.

www.fao.org/countryprofiles/en/: Länder
http://www.wri.org/publication/pilot-analysis-global-ecosystems-grassland-
   ecosystems

Graslandsysteme – DS1
• Einleitung: Logistik, Termine, Themen, Lernkontrollen,
  Literatur
•   Definition von „Grasland/Graslandsysteme“
•   Verbreitung
•   Evolution
•   Veränderungsdruck

Grasland ?

Grasland - Definitionen

                          (White et al. 2000, S.11)

                            (Suttie et al. 2005, S.1)

Grasland - Definitionen
• Abgrenzung von Grasland zur Savanne (Anteil Bäume; z. B.
  UNESCO)
• Basierend auf Boden und Klima (z. B. USA ecoregions)
• Drylands: Basierend auf Trockenheits-Index (ungeachtet der
  Vegetation oder der Nutzung; z. B. MA)
• Basierend auf Nutzung (rangelands; z. B. FAO)
• Mischung dieser Kriterien (z. B. PAGES, MA)

Potent. Verbreitung von Grasland: Klima

Temperat            Tropisch

                                 (Archibold 1995,
                                 S. 60 u. 204)

Verbreitung von Grasland: Trockenheit
Aktuelle Verbreitung

                               (Foley et al. 2005)

Verbreitung von „Drylands“: Trockenheit

                                    (MA 2005)

Verbreitung von Grasland: Baumanteil
Aktuelle Verbreitung

              Ökologische Einteilung: Struktur und Artenspektrum
              Savanne: > 10 % Deckung durch Bäume (< 50 %)
              Grasland: < 10 % Deckung durch Bäume
                                                     (White et al. 2000)

Verbreitung von Grasland-Ökosystemen
                         Aktuelle Verbreitung

                               (Dixon et al. 2014)

Wald vs. Grasland/Savanne: Beobachtung

      bimodal                                     bimodal

  Ab 1000 mm NS: Wald möglich (tree cover >55%)
                                                   (Staver et al. 2011)

Wald vs. Grasland/Savanne: Beobachtung
Baumflächen bei 1000-2500 MM NS und < 7 Monate Trockenheit
Mit Feuer (graue Säulen), ohne Feuer (schraffierte Säulen)

• Unter diesen Bedingungen auf allen Kontinenten: Feuer ist
  ausschlaggebend, ob Wald oder Savanne  Feuer begünstigt
  Grasland/Savannen
                                                             (Staver et al. 2011)

Welt ohne Feuer: Modell

                  Current
                  vegetation

                   • Ohne Feuer würde sich
                     Waldbedeckung (80–100% tree
                     cover) verdoppeln: von 26.9%
                     aller Veg. gitterzellen zu 56.4%
                   • Ohne Feuer: Wald hauptsächlich
                     auf Kosten von C4 Grasland

                                       (Bond et al. 2004)

Natürliche Verbreitung von Grasland

Grasland dominiert gegenüber Wald:
• Bei zu starker, zu langer oder variabel auftretender Trockenheit
  (Klima und Boden: Wasserbedarf der Gräser < Bäume, muss aber
  trotzdem während der Wachstumsphase zur Verfügung stehen! In
  ariden Gebieten: < 250 mm Grasland, 250 – 500 mm Savanne,
  > 500/1000 mm eher Wald)
• Bei hoher Feuerfrequenz
• Bei häufig und lang auftretenden Frostereignissen

Faktoren können gemeinsam auftreten,
Feuer hat aber einen dominanten Einfluss, v.a. bei 1000-2500 mm NS

Einige Zahlen
Grasland (i.w.S.):
• 52.5 Mio km2 = 5250 Mio ha
• 40 % der Kontinente (ohne Grönland und Antarktis)
• v.a. Australien, Russ. Föderation, China, USA, Kanada
• 70% der globalen landwirtschaftlichen Nutzfläche

                                          (White et al. 2000, S. 14)

Einige Zahlen
Grasland (i.e.S.): 33.2 Mio km2 = 3320 Mio ha

                                                (GEO-6 2019)

Nordamerika: Tallgrass Prairie

“… Flint Hills bluestem prairie (Kansas) often regarded as one of the
greatest natural cattle pastures on Earth and second only to the equally
famous and fabulous tallgrass prairie of the Sand Hills of Nebraska ....”
Pictures:
http://ngm.nationalgeographic.com/2007/04/tallgrass-prairie/klinkenborg-text
http://www.itsnature.org/travel/national-parks/tallgrass-prairie-national-preserve/

Südamerika: Pampa

Vegetation gebildet v. a. durch Paspalum dilatatum (C4),
Bothriochloa laguroides (C4), Briza subaristata (C3),
Paspalum quadrifarium (C4), Stipa trichotoma (C3)
(Horstgräser)
                                         (Suttie et al. 2005, S. 430ff)

China

                            Alpine meadow steppe type,
Alpine steppe type, Tibet   Quinghai

Temperate steppe type,      Temperate meadow steppe
Inner Mongolia              type, Inner Mongolia
                                     (FAO, Country Profile 2005)

Australien: Tropical tall grass

                                 Themeda triandra

• Gräser als Unterwuchs in
  tropischen, offenen Wäldern,
• NS > 750 mm,
• v.a. im N und NO Australiens

                                 Bothriochloa pertusa

                                         (Suttie et al. 2005, S. 354)

Evolution von C4-Grasland/Savanne
Seit wann gibt es global große C4-Graslandregionen?
 Paläobotanische Untersuchungen basierend auf
• Pollen
• Makrofossilien (Gräser, Herbivore)
• Analyse stabiler C-Isotope (δ13C) in Fossilien und
  Paläoböden
• Kombiniert mit Rekon-
  struktionen des Paläo-
  klimas (Eisbohrkerne,
  etc.)

                                (Jacobs et al. 1999, Edwards et al. 2010)

13C-Signale                in Pflanzen und Herbivoren

(Ehleringer et al. 2002)             (MacFadden und Cerling 1994)

Archive: Paläoböden und Zahnschmelz

                        Pakistan

 (Ehleringer et al. 1991)          (Ehleringer et al. 2002)

Archive: Paläoböden und Zahnschmelz

Pakistan

   (Ehleringer et al. 1991)   (Ehleringer et al. 2002)

Evolution von C4-Grasland: Global
vor 6-8 Mio J.
                                         10 Ma

                                         15 Ma

(Jacobs et al. 1999)

Verbreitung von C4-Vegetation heute (%)

                               (Still et al. 2003)

Veränderungsdruck auf Grasland

                              (White et al. 2000, S. 21)
F

Veränderungsdruck auf Grasland

                             (FAO, AGP 2008)

Veränderungsdruck auf Grasland

                                 (FAO 2008)

Veränderung der Landbedeckung
                     Davon sind noch
Potentiell

 Nur noch zwischen 40 und 70% der ursprünglichen Habitate
  existieren noch. Höchste Umnutzung im temperaten Grasland.

                                                (White et al. 2001, S. 20)

Nutztierdichte

(Gilbert et al.
 2018)

Anbauflächen in Indonesien: Ölpalme

               Elaeis guineensis

Auf Kosten von Wald und Weideland
                                    (FAOSTAT 2008)

Desertification

...'desertification' means land
degradation in arid, semi-arid
and dry sub-humid areas
resulting from various factors,
including climatic variations
and human activities; …

UNCCD, Article 1