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Das Amazonasgebiet hat in den letzten Jahrzehnten eine Intensivierung der menschlichen Aktivitäten erfahren, die in Verbindung mit häufigen schweren Dürren die Umwelt anfälliger für Brände gemacht hat. In dieser Dissertation wurden Fernerkundungsdaten analysiert, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Feuer in den letzten 20 Jahren im brasilianischen Amazonasgebiet umfassend zu untersuchen und die verschiedenen Brandursachen zu entschlüsseln. (I) Die erste Forschungsarbeit wertete die Verteilung der verbrannten Fläche aus und zeigte, dass die meisten Brände auf bewirtschafteten Weiden und in den immergrünen Tropenwäldern auftraten, was die Behauptung stützt, dass ihr Auftreten stark auf anthropogene Landnutzungsänderungen reagiert. Die Ergebnisse zeigten auch, dass weder Entwaldung noch Walddegradierung mit Waldbränden korrelierte, wohl aber Feuer, die auf Weiden oder Ackerflächen gelegt wurden und in den angrenzenden Wald übergesprungen sind. (II) Die zweite Forschungsarbeit analysierte einzelne Brände, die durch den auf komplexen Netzwerken basierenden FireTracks-Algorithmus identifiziert wurden. Der Algorithmus wurde verwendet, um Feuerregime für sechs verschiedene Landnutzungsklassen zu ermitteln. Die integrierte Größe, Dauer, Intensität und Ausbreitungsrate dieser räumlich-zeitlichen Brandcluster in den verschiedenen Landnutzungstypen zeigte auf, wie seltene Waldbrände, die natürlicherweise nicht in immergrünen tropischen Wäldern vorkommen, sich zu einem Feuerregime entwickelten, das für Savannenbrände typisch ist. (III) Die dritte Forschungsarbeit analysierte extreme, d. h. die intensivsten Einzelfeuer in immergrünen tropischen Wäldern, und zeigte deren großen Anteil an der insgesamt verbrannten Waldfläche. Während der globale Klimawandel das Potenzial hat, die Trockenheit zu verstärken, sind die anthropogenen Ursachen der Waldzerstörung die Zündquellen, die die Verteilung extremer Brände in den empfindlichen tropischen Wäldern bestimmen., The Amazon region has experienced an intensification of human activities in the last decades, which combined with frequent severe droughts has led to an environment more susceptible to fire. Remotely sensed data is employed to comprehensively analyse the spatio-temporal fire distribution in the Brazilian Legal Amazon over the past 20 years to disentangle the diverse fire drivers in the region. Special focus is given to burned tropical evergreen forests. (I) The evaluation of the burned area distribution revealed that most of it occurred in pastures and tropical evergreen forests, supporting the claim that fire incidence responds strongly to anthropogenic land-use changes. The results also showed that neither deforestation nor degradation correlated with forest fires, but escaping fires from pastures and agriculture do. (II) The analysis of individual fires identified by the complex networks based FireTracks algorithm led to the characterization of six different land cover-dependent fire regimes (fire size, duration, intensity, and rate of spread), which uncovered how evergreen forest fires have escalated from being naturally rare to showing characteristics more typical of savanna fires. (III) The analysis of extreme (most intense) fires in evergreen forests showed their large contribution to the total forest burned. While global climate change has the potential to increase drought conditions, anthropogenic drivers of forest degradation provide the ignition sources that determine extreme fire distribution in the tropical forests. The findings call for the development of control and monitoring plans to prevent fires from escaping from managed lands into forests, better management techniques to support effective land use and ecosystem management, targeting forest degradation in addition to deforestation, and considering the human factor in fire ignition and spread in Dynamic Global Vegetation Models in order to reduce uncertainty in fire regime projections.

Potato (Solanum tuberosum L.) is one of the most important crops in the world. In addition to food and fodder, potato is also used for industrial purposes like production of adhesives, paper, and cosmetics. The vegetative growth phase of potato correlates with dry periods in spring and early summer, which are increased by climate change. Drought stress leads to morphological, physiological, and biochemical changes in the plant that have an extensive negative impact on the size and quality of the tubers. Since potato is a drought-sensitive species with its shallow root system, the interest in drought-tolerant cultivars is immense. Because ex vitro test systems are expensive and labor-intense and because additional parameters like other abiotic and biotic stressors influence the stress response, investigations in vitro are of great interest. Advantages of in vitro systems are the controlled light intensity, temperature, and supply of nutrients. Furthermore, pathogens can be excluded from the culture, and experiments require less space. Osmotic stress in vitro can be induced by adding an osmoticum, which lowers the osmotic potential in the culture medium. In the context of this work, an existing in vitro test system was optimised. For this purpose, the solid medium was replaced by liquid medium to enable that sorbitol can be added stepwise with increasing concentration. This resulted in two advantages: 1. the stress induction was gradual, and thus no osmotic shock was induced; 2. the plants were able to establish roots prior to the addition of the osmoticum, which allowed the stress that occurred by cutting the explants to be mitigated. This experiment showed that sorbitol was probably taken up by the roots and transported into the shoots, where it was detected by GC-MS. Furthermore, selected potato genotypes were investigated for their early drought stress response in open greenhouse and shelter experiments and their early osmotic stress response in vitro. For this purpose, candidate proteins for drought stress were selected after identification by LC-MS in material from rainout shelter trials. Identified proteins were further selected based on differential abundance in the genotypes ‘Eurostarch’ and ‘Tomba', which were postulated to be rather tolerant. From the identified candidate proteins, eight genes were selected, and their expression was investigated by RT-qPCR in leaves after seven days of water withdrawal in two trials in an open greenhouse, where differences between treatments but no genotypic effects were detected. Expression of peroxidase 51-like (POD), subtilase family protein (SBT1.7), and cell wall/vacuolar inhibitor of fructosidase (INH1) responded strongly to drought stress in all genotypes. Dry masses of the shoots also demonstrated stress induction ex vitro without reaching the permanent wilting point in the open greenhouse. The analysis under osmotic stress in two experiments in vitro also showed altered shoot dry mass and differential gene expression under osmotic stress. SBT1.7 was regulated in vitro in all genotypes under osmotic stress. POD showed similar regulation to the open greenhouse experiments in three of the four genotypes analysed. Furthermore, INH1 was only regulated in ‘Eurostrach’ and 'Tomba'. Additionally, 13-LOX, a gene of the family of lipoxygenases linked to osmotic adjustment, was upregulated in all genotypes under osmotic stress. Finally, differentially abundant proteins were identified in leaves of two shelter experiments under drought stress, nitrogen deficiency, and combined stress in two genotypes that differ in tolerance towards those stresses. Results showed differences in proteomic responses under combined as well as single stresses. The sensitive genotype ‘Kiebitz’ showed a higher abundance of proteases, whereas the rather tolerant genotype ‘Tomba’ showed a lower abundance of such proteins. In summary, important insights into the stress response of potato to drought stress and osmotic stress were gained. Further studies with earlier sampling could help to better understand genotypic differences and develop biomarkers for early drought stress. An alternative osmoticum for the in vitro system should be considered. BMEL/Nachwachsende Rohstoffe/22001917/EU

Drought events are increasing due to climate change, resulting in significant yield losses. Many breeding strategies focus on drought resistance to avoid these yield losses or complete crop failure. Additionally, to improve drought resistance under soil desiccation, the soil and particularly rhizosphere processes are more and more in the focus of research. Specifically, linkages between the diverse and highly dynamic interactions of soil, plant, and microorganism community must be understood. This thesis thus aims to answer the following research questions: i) Are root hairs relevant for water uptake, and what role do they play under drought? ii) Does local drought in Zea mays result in distinguishable systemic and local metabolic and physiological responses, as well as compensatory water uptake? iii) Do the physico-chemical properties of Zea mays mucilage differ between two common collection systems? In the first part, published studies considering root hairs in nutrient and water uptake were summarized, and show a high plasticity of root hairs under different nutrient and water availability states. This plasticity was apparent through changes in root hair morphology and development. Furthermore, the role of root hairs in water uptake is under discussion due to variable results from different studies and crop species. Nevertheless, it seems that overall root hairs improve drought resilience. Furthermore, a better nutrient uptake and mucilage exudation by root hairs and thus an increased drought stability is discussed. This suggests a beneficial role of root hairs for drought stress robustness. In the second part, local and systemic drought responses of maize and their effect on rhizosphere processes were assessed in a split-root experiment. The root system of maize was separated into two differently watered (watered, drought stressed) rhizobox chambers. The local drought treatment was performed for 10 days. Under these conditions, the local drought led to a local and systemic response through osmotic adjustment. Osmolarity increased in the shoot, while increased proline concentrations and slight changes in root exudates indicated a local response in the drought stressed root compartment. This metabolic adjustment contributed to a hydraulic redistribution of water between the root halves and enhanced water availability. Comparing the physico-chemical properties of maize mucilage collected by two common collection systems emphasized the impact of mucilage collection when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes. The mucilage differed in terms of physico-chemical properties, which included contact angle, viscosity, surface tension (physical) and nutrient content, pH, polysaccharide polymer length, and neutral sugar composition (chemical). The mucilage was collected in two ways: 1) from primary and seminal roots of seedlings growing in a semi-sterile aeroponic system and 2) from airborne brace roots of maize growing on sandy soil. The two collection systems differed in terms of plant age, environment (sterility, light availability, air humidity), and root type. The higher viscosity of the brace root mucilage may have reflected the drier air humidity surrounding the root and therefore the need to enhance water holding capacity. Non-sterile conditions during brace root mucilage collection probably resulted in higher shares of hexoses, while semi-sterile conditions may explain the lack of mannose in the aeroponic mucilage. Brace root mucilage may therefore have a greater relevance during soil desiccation than aeroponic mucilage. In summary, this work helps to fill knowledge gaps in understanding and linking rhizosphere processes by i) providing a state-of-the-art summary of root hair plasticity related to nutrient and water availability and concluding a beneficial role of root hairs in drought robustness, ii) showing local and systemic osmotic adjustment and hydraulic redistribution under local drought, and iii) emphasizing the role of the mucilage collection systems when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes Trockenstressereignisse häufen sich bedingt durch den Klimawandel und führen zu Ertragsverlusten. Deshalb sind zahlreiche Züchtungsprogramme auf Trockenstressresistenz ausgelegt, um so Ertragsverluste oder Komplettausfälle zu verhindern. Zusätzlich rücken der Boden und im Besonderen die Rhizosphären-Prozesse in den Forschungsvordergrund, um so die Trockenstressresistenz unter Bodenaustrocknung zu verbessern. Es ist dabei notwendig die Zusammenhänge zwischen den zahlreichen und sehr dynamischen Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismenpopulationen zu verstehen. Folglich zielt diese Arbeit darauf ab, folgende Forschungsfragen zu beantworten: i) Sind Wurzelhaare relevant in der Wasseraufnahme und welche Rolle haben sie unter Trockenheit? ii) Führt lokaler Trockenstress bei Zea mays zu systemisch- und lokal unterscheidbaren metabolischen und physiologischen Reaktionen sowie zur Kompensation in der Wasseraufnahme? iii) Unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mucilage von Zea mays aus zwei unterschiedlichen Sammelsystemen? Im ersten Teil wurden publizierte Studien zusammengefasst, welche Wurzelhaare im Zusammenhang mit Nährstoff- und Wasseraufnahme berücksichtigen. Diese zeigen eine hohe Plastizität von Wurzelhaaren unter verschiedenen Nährstoff- und Wasserverfügbarkeiten. Diese Plastizität ist erkennbar durch Veränderungen bei der Wurzelhaar-Morphologie und - Entwicklung. Die Rolle von Wurzelhaaren bei der Wasseraufnahme wird kontrovers diskutiert, da sich die Ergebnisse von verschiedenen Studien und Spezies unterscheiden. Allerdings scheint es, dass insgesamt Wurzelhaare die Trockenstressresilienz verbessern. Des Weiteren wird eine bessere Nährstoffaufnahme und Mucilage-Exsudation durch Wurzelhaare und dadurch eine erhöhte Trockenstress-Stabilität diskutiert. Dies lässt eine fördernde Rolle von Wurzelhaaren zur Trockenstressstabilität vermuten. Im zweiten Teil wurden lokale und systemische Antworten von Mais und deren Effekte auf Rhizosphären- Prozessen in einem Split-Root-Experiment beurteilt. Dafür wurde das Wurzelsystem von Mais in zwei Rhizoboxkammern aufgeteilt und unterschiedlich bewässert (bewässert, trockengestresst). Der lokale Trockenstress dauerte 10 Tage. Unter diesen Bedingungen führte die lokale Trockenheit zu einer lokalen und systemischen osmotischen Anpassung. Die Osmolalität stieg im Spross an, während erhöhte Prolin-Konzentrationen und leichte Veränderungen bei den Wurzelexsudaten eine lokale Antwort der trockengestressten Wurzelseite zeigen. Diese metabolischen Anpassungen trugen zu einer hydraulischen Umverteilung von Wasser zwischen den Wurzelhälften bei und verbesserten die Wasserverfügbarkeit. Ein Vergleich der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Mais-Mucilagen, die aus zwei üblichen Sammelsystemen stammen, zeigt die Relevanz des Sammelsystems, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll. Die Mucilagen unterschieden sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, welche Kontaktwinkel, Viskosität, Oberflächenspannung (physikalisch) und Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Länge der Polysaccharid-Polymere und Zusammensetzung der neutralen Zucker (chemisch) umfassen. Die Mucilage wurde auf zwei Arten gewonnen: 1) Absammeln von primären und seminalen Wurzeln von Maiskeimlinge, die in einem semi-sterilen aeroponischen System angezogen wurden und 2) von Luftwurzeln oberhalb des Bodens von Mais, der in Sandboden angezogen wurde. Diese zwei Sammelsysteme unterschieden sich in Pflanzenalter, Umwelt (Sterilität, Lichtverfügbarkeit, Luftfeuchtigkeit) und Wurzeltyp. Die höhere Viskosität der Luftwurzelmucilage reflektiert möglicherweise die trockenere Luftfeuchte um die Wurzel und der daraus resultierenden Notwendigkeit die Wasserhaltekapazität zu verbessern. Nicht-sterile Bedingungen bei dem Absammeln von Luftwurzelmucilage führte vermutlich zu höheren Anteilen an Hexosen, während semi-sterile Bedingungen das Fehlen von Mannose in aeroponisch gesammelter Mucilage erklären könnte. Luftwurzelmucilage hätte daher vermutlich größere Effekte auf Rhizosphären-Prozesse während Bodenaustrocknung als aeroponisch gesammelte Mucilage. Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, die Wissenslücken zu Prozessen in der Rhizosphäre zu füllen, um diese zu verstehen und miteinander zu verbinden, indem gezeigt wurde, dass i) die publizierte Literatur beschreibt, dass Wurzelhaare in Bezug auf Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit plastisch reagieren und eine vorteilhafte Rolle unter Trockenheit haben können, ii) eine lokale und systemische osmotische Anpassung sowie hydraulische Umverteilung stattfindet und iii) die Rolle des Mucilage-Sammelsystems hervorzuheben ist, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll.

Climate change poses a challenge for the production of crops in the twenty-first century due to alterations in environmental conditions. In Central Europe, temperature will be increased and precipitation pattern will be altered, thereby influencing soil moisture content, physiological plant processes and crop development in agricultural areas, with impacts on crop yield and the chemical composition of seeds. Warming and drought often occur simultaneously. The combination of multiple abiotic stresses can be synergistic, leading to additive negative effects on crop productivity. To date, little information is available from multi-factor experiments analyzing interactive effects of warming and reduced precipitation in an arable field. In addition, one major issue of studying climate change effects on crop development in the long-term is that weather conditions can vary strongly between years, e.g., with hot and dry summers in comparison to cool and wet ones, which directly affects soil moisture content and indirectly affects crop development. Thus, considering yearly weather conditions seems to be important for the analyses of climate change effects on aboveground biomass and harvestable yield of crops. The aim of the present work was to identify single and combined effects of soil warming (+2.5 °C), reduced summer precipitation amount (-25%), and precipitation frequency (-50%) on crop development, ecophysiology, aboveground biomass and yield as well as on yield quality of wheat, barley, and oilseed rape grown in the Hohenheim Climate Change (HoCC) field experiment. This thesis presents novel results from the HoCC experiment in the long-term perspective. Thus, aboveground biomass and yield data (2009-2018) of the three crops were analyzed with regard to their inter-annual variability, including annual fluctuations in weather conditions.This thesis consists of three publications. In the first and second publication a field experiment within the scope of the HoCC experiment was conducted with spring barley (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) and winter oilseed rape (Brassica napus L. cv. Mercedes) in 2016 and 2017. The objective was to investigate the impacts of soil warming, altered precipitation pattern and their interactions on biomass production and crop yield. In addition, it was examined, whether the simulated climate changes affecting barley photosynthesis and the seed quality compounds of oilseed rape. In the third publication, long-term plant productivity data of wheat, barley, and oilseed rape were evaluated, including aboveground biomass and yield data from the field experiment in 2018 with winter wheat (Triticum aestivum L. cv. Rebell). Der Klimawandel stellt aufgrund veränderter Umweltbedingungen eine Herausforderung für den Anbau von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen im 21. Jahrhundert dar. In Mitteleuropa steigt die Temperatur an und die Niederschlagsmuster verändern sich, wodurch die Bodenfeuchte, die physiologischen Pflanzenprozesse und die Pflanzenentwicklung in landwirtschaftlichen Gebieten beeinflusst werden. Dies wirkt sich auf den Ernteertrag und die chemische Zusammensetzung der Erträge aus. Häufig treten Erwärmung und Trockenheit gleichzeitig auf. Dabei kann sich das Vorkommen mehrerer abiotischer Stressoren synergistisch auswirken und zu additiv negativen Effekten auf die Pflanzenproduktivität führen. Bisher liegen nur wenige Informationen aus multifaktoriellen Experimenten vor, welche die Wechselwirkungen von Erwärmung und Trockenheit in einem landwirtschaftlichen Feld untersuchen. Darüber hinaus ist es wichtig die Auswirkungen des Klimawandels auf die Entwicklung von Nutzpflanzen in Langzeitstudien zu untersuchen, da die Wetterbedingungen zwischen den Jahren stark variieren können, z. B. mit heißen und trockenen Sommern im Vergleich zu kühlen und nassen, mit direkter Auswirkung auf die Bodenfeuchte und indirekter Wirkung auf die Entwicklung der Pflanzen. Demzufolge scheint eine Berücksichtigung der jährlichen Wetterbedingungen wichtig zu sein, wenn die Folgen des Klimawandels auf die oberirdische Biomasse und den Ernteertrag von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen abgeschätzt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es im Rahmen des Hohenheim Climate Change (HoCC) Feld-Experimentes die Folgen der drei Faktoren Bodenerwärmung (+2,5°C), reduzierter Sommer Niederschlagsmenge (-25 %) und Niederschlagshäufigkeit (-50 %) einzeln oder in Kombination auf die Parameter Pflanzenentwicklung, Ökophysiologie, oberirdische Biomasse, Ertrag und Ertragsqualität von Weizen, Gerste und Raps zu untersuchen. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse aus dem Langzeit - HoCC-Experiment präsentiert. Dazu wurden Daten von 2009-2018 zu oberirdischer Biomasse und Ertrag der drei Kulturen hinsichtlich ihrer zwischenjährlichen Variabilität analysiert und jährliche Schwankungen in den Witterungsbedingungen berücksichtigt. Die Dissertation besteht aus drei Publikationen. In der ersten und zweiten Veröffentlichung wurde im Rahmen des HoCC Experimentes in den Jahren 2016 und 2017 ein Feldversuch mit den Nutzpflanzen Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) und Winterraps (Brassica napus L. cv. Mercedes) durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen einer Bodenerwärmung, veränderten Niederschlagsmustern und deren Wechselwirkungen auf die Biomasseproduktion und den Ernteertrag zu untersuchen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich die simulierten Klimaänderungen auf die Photosynthese von Gerste sowie auf die Inhaltsstoffe von Rapssamen auswirken. In der dritten Veröffentlichung wurden Langzeit - Produktivitätsdaten von Weizen, Gerste, und Raps ausgewertet, darunter oberirdische Biomasse und Ertragsdaten aus dem HoCC Feldversuch von 2018 mit Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Rebell).

Increasing population pressure, coupled with the effects of climate change manifested by longer dry seasons, wildfires, and conflicts, threatens the food systems of minority communities. In the case of the Mbororo minority community of Northwest Region of Cameroon, these threats are exacerbated by already existing problems of marginalisation. This study assesses agricultural risks in the global context of food distribution and gross domestic product that also poses a specific threat to the food system of the Mbororo people. The study aims to (1) assess the types of agricultural risk encountered by the Mbororo community, (2) examine the likelihood and severity of these risks, and (3) appraise local risk management strategies adopted to minimise the negative impacts of these risks on the food system. The study makes use of a mixed method approach for data collection. Findings have revealed animal diseases (83 %), absence of infrastructures (83.6 %), price variation (76.6 %), and drought (75.8 %) as the most encountered risks in the case study area. Especially, drought, political insecurity, pest and rodent, farmer-grazer conflict, and crop and animal diseases emerged as the highest intensity or priority risks with the need for urgent management strategies intervention. Agricultural risk assessment is frequently used to assess and prioritize risks but has hardly been used in the case of minority groups such as the Mbororo community of Northwest Cameroon.

Große Maßnahmen ließen sich nicht durchsetzen. Große Monokulturen dominieren, etwa die Hälfte nur für Tierfutter. Winderosion und Starkregen tragen Ackerböden fort. Die Grundwasserspiegel sinken, Konflikte nehmen zu. Die Preise für Lebensmittel steigen. – Projekt Zukunftsbilder: Wissenschaftler:innen stellen auf Basis aktueller Forschungsergebnisse und Studien dar, wie eine nachhaltige Welt aussehen könnte. Dieser Text beschreibt eine von über 40 Facetten des Lebens und Wirtschaftens in einem von vier Zukunftsbildern. Weitere Texte finden sich in der Zenodo-Community des Projekts ‘Zukunftsbilder’. Neben einem Weiter-so-Bild (Titel: „Langsam“) werden drei verschiedene positive Zukünfte geschildert (Titel: „Groß“, „Fokussiert“ und „Graswurzel“), die soziale Ziele erreichen und planetare Grenzen (zum Beispiel die Pariser Klimaziele oder Biodiversitätsziele) einhalten. Unsere Texte sind keine formellen wissenschaftlichen Zukunftsszenarien, sondern Beschreibungen von möglichen Zukünften. Sie wurden gemeinsam von Wissenschaftler:innen und Menschen aus sozialen Bewegungen erarbeitet und von Wissenschaftler:innen begutachtet. Die Texte stellen die Sichtweise der Autor:innen dar und sind nicht innerhalb aller beteiligten Organisationen abgestimmt. Das Projekt dient dazu, eine neue, konstruktive Diskussion um unsere Zukunft mit möglichst vielen Menschen anzuregen. Mehr Informationen unter www.zukunftsbilder.net. Bitte die aktuellste Version beachten!

Der Bericht informiert über die Erfassung und Abschätzung von atmosphärischen Bedingungen, die den Aufbau bzw. die Ausprägung von Trockenheit begünstigen. Mit der Erwärmung wird es zunehmend wichtiger, neben dem Niederschlag auch die Verdunstung zu berücksichtigen. Im Klimafolgen-Bereich sind die Aussagen als “atmosphärisches Trockenheitsrisiko” zu interpretieren. Das erarbeitete Konzept lässt sich auch mit Vorhersagen bzw. Projektionen umsetzen. Die Veröffentlichung richtet sich an die mit dem Thema befassten. Redaktionsschluss: 28.02.2020

Trockenheiten und Hitzewellen beeinflussen unsere Gesellschaft und die Vegetation. Insbesondere im Zusammenhang mit dem Klimawandel sind die Auswirkungen auf die Vegetation von besonderer Bedeutung. Im globalen Kohlenstoffkreislauf sind terrestrische Ökosysteme normalerweise Senken von Kohlenstoffdioxid, können sich aber während und nach Klimaextremereignissen in Kohlenstoffquellen verwandeln. Ein entscheidender Aspekt hierbei ist die Rolle verschiedener Pflanzenarten und Vegetationstypen auf verschiedenen Skalen, die die Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen. Obwohl durch physiologische Unterschiede zwischen verschiedenen Pflanzenarten unterschiedliche Reaktionen auf Extremereignisse naheliegen, sind diese Unterschiede auf globaler Ebene nicht systematisch ausgewertet und vollständig verstanden. Ein weiter Aspekt ist, dass Klimaextremereignissen von Natur aus multivariat sind. Beispielsweise kann heiße Luft mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. Extremereignisse mit starken Auswirkungen waren in der Vergangenheit häufig multivariat, wie beispielsweise in Europa 2003, Russland 2012, oder den USA 2012. Diese multivariate Natur von Klimaextremen erfordert eine multivariate Perspektive auf diese Ereignisse. Bisher werden meistens einzelne Variablen zu Detektion von Extremereignissen genutzt und keine Kovariation oder Nichtlinearitäten berücksichtigt. Neue generische Workflows, die solche multivariaten Strukturen berücksichtigen, müssen erst entwickelt oder aus anderen Disziplinen übertragen werden, um uns eine multivariate Perspektive auf Klimaextreme zu bieten. Das übergeordnete Ziel der Dissertation ist es, die Erkennung und das Verständnis von Klimaextremen und deren Auswirkungen auf die Vegetation zu verbessern, indem eine breitere multivariate Perspektive ermöglicht wird, die bisherige Ansätze zur Erkennung von Extremereignissen ergänzt.

Die Verbreitungsgebiete von Baumarten überspannen große geographische Areale mit sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen. Es wird angenommen, dass diese unterschiedlichen Umweltbedingungen, insbesondere Frost- und Trockenstressereignisse, zur Ausbildung lokal angepasster Populationen innerhalb einer Baumart geführt haben. Diese weisen eine größere Fitness am Herkunftsstandort auf als gebietsfremde Populationen. Um dieser Annahme Rechnung zu tragen und die genetische Struktur der Baumpopulationen in Deutschland zu schützen, wurde das Bundesnaturschutzgesetz 2010 novelliert und im „Leitfaden zur Verwendung gebietseigener Gehölze“ wurden 6 artenunspeziefische Vorkommensgebiete für die Verwendung gebietseigenen Pflanzenmaterials in der freien Natur ausgewiesen. Ab dem 1. März 2020 steht die Ausbringung von Pflanzenmaterial außerhalb seines eigenen Vorkommensgebiets unter Genehmigungspflicht. Allerdings ist das Wissen über die genetische Struktur vieler Baumarten in Deutschland noch lückenhaft. Die vorliegende Arbeit soll grundlegende wissenschaftliche Informationen über mögliche Unterschiede in der lokalen Anpassung von Populationen von Quercus robur und Tilia cordata an Frost- und Trockenstress liefern. Hierzu wurden unter kontrollierten Bedingung Frühfrost-, Spätfrost-, und Trockenstressversuche mit 2-jährigen Sämlingen aus jeweils 3 verschiedenen Populationen beider Baumarten durchgeführt. Um einen größeren geographischen Rahmen abzudecken, wurde bei der Stieleiche zudem eine ungarische Population einbezogen. Neben physiologischen und biochemischen Parametern der Stressantwort wurden auch phänologische Parameter (Zeitpunkt von Triebabschluss und Austrieb) bestimmt. Es konnten nur vereinzelt schwach signifikante Unterschiede in diesen Parametern zwischen den Populationen gefunden werden, insbesondere bei der Betrachtung der deutschen Populationen. Zudem war es nur in einem Fall möglich diese Unterschiede auf die lokalen Umweltbedingungen am Herkunftsstandort zurückzuführen. Mögliche Gründe hierfür könnten die geringen Unterschiede in den Umweltbedingungen an den Herkunftsstandorten der Populationen, sowie Eigenschaften (hoher Genfluss, hohe phänotypische Plastizität, phylogeographische Geschichte) der verwendeten Baumarten sein. Die vom BNatSchG §40 angenommenen Unterschiede in der Ausbildung von Anpassungen an lokale Umweltbedingungen, welche durch die Vorkommensgebiete abgebildet werden können, konnte in dieser Studie demnach nicht bestätigt werden. Die sehr strikten und generellen Regelungen des BNatSchG §40 sollten dahin gehend geändert werden, um unnötige Kosten für die Produktion und die Bereitstellung gebietseigenen Pflanzenmaterials zu vermeiden und die Versorgung mit geeignetem Pflanzenmaterial zu gewährleisten., Distribution areas of tree species in Europe cover large geographical ranges with various environmental conditions. It is assumed that these various conditions, particularly frost and drought stress events, formed local adapted populations within a species. These local adapted populations are again assumed to show higher fitness at the site of origin compared to non-local populations. To prevent loss of genetic structure of tree populations in Germany the German government amended the Federal Nature Conversation Act (BNatSchG) in 2010 and for the use of plants in free nature six species unspecific defined areas of origin have been arranged. The transfer of propagation material between them is forbidden from 1st March 2020. However, the grade of local adaptation in populations of woody species in Germany is not clearly demonstrated. The aim of this study was to investigate possible differences in the response between populations of Quercus robur and Tilia cordata to frost and drought stress. Therefore early and latefrost stress as well as drought stress experiments were conducted under controlled conditions with plants (2-year old seedlings) of three different populations of each target tree species. To cover a bigger geographical range one Hungarian population of pedunculate oak was included. Physiological and biochemical parameters as well as phenological parameters (but set and bud break) were determined. Over all, only weakly significant differences in these parameters between populations could be pointed out. Furthermore, just in one case a correlation between these differences and the environmental conditions at the site of origin existed. Small differences in the environmental conditions between the population’s sites of origin as well as species-specific life history traits (high gene flow, high phenotypic plasticity, phylogeographical history) of the investigated tree species could be the reasons. Regarding frost and drought stress response, local adaptations of German tree populations seem not to be as distinctive as the defined areas of origin assume. Taken this into account, the strong and general restrictions of BNatSchG §40 should be reconsidered to avoid unnecessary costs for production of local plant material and ensure supply of suitable local plant material.

In dieser Broschüre werden die wesentlichen Merkmale (Definition, Ursachen, Folgen etc.) einer hydrologischen Trockenheit erklärt sowie die beiden Trockenjahre 2018 und 2019 an ausgewählten Pegeln im Gebiet der Lausitzer Neiße näher betrachtet. Die Broschüre informiert zudem über institutionelle Maßnahmen (EU-, nationale und regionale Ebene) im Umgang mit Niedrigwasser und gibt praktische Tipps für einen sorgsamen Umgang mit der Ressource. Die Broschüre ist in Kooperation mit dem polnischen Institut für Meteorologie und Wasserwirtschaft (IMGW-PIB), im Rahmen des NEYMO-NW Projektes entstanden und richtet sich an die allgemeine Bevölkerung, insbesondere an die Einwohner des Einzugsgebiets der Lausitzer Neiße. Redaktionsschluss: 09.11.2020

Das gleichzeitige Auftreten mehrerer Extremereignisse, z.B. einer Dürre und einer Hitzewelle hat eine geringe Auftrittswahrscheinlichkeit, aber potentiell große Auswirkungen auf z.B. Gesellschaft und Ökosysteme. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte von kombinierten Temperatur- und Niederschlagsextremen und ihre zukünftigen Klimaänderungssignale anhand eines Ensembles regionaler Klimasimulationen untersucht.

Abiotischer Stress begrenzt den Ernteertrag von Nutzpflanzen. In Gerste (Hordeum vulgare, Hv) vermindert Trockenstress (TrStr) u.a. die Kornfüllrate und das Korngewicht. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ist das Polyamin Spermin (SPM) am Schutz vor Trocken-und Salzstress beteiligt. In dieser Dissertation wird der Einfluss von TrStr auf Polyamine und auf die Veränderungen der Transkriptmengen von Sperminsynthasen (SPMS) in Hv untersucht. Zwei HvSPMS wurden identifiziert und in vitro funktionell und kinetisch charakterisiert. Sie bilden ausschließlich SPM, Thermospermin war als Produkt nicht nachweisbar. In TrStr-Experimenten mit wassergestressten Pflanzen wurden die Transkriptmengen der HvSPMS-Gene bei moderatem und starkem TrStr gegenüber Kontrollniveau erhöht. Die Putrescin- und SPM-Gehalte stiegen gegenüber den Kontrollen, der Spermidin-Gehalt veränderte sich nur wenig. Die HvSPMS-Gene können somit als Markergene für die Effekte von moderaten und starken TrStr genutzt werden., Abiotic stress limits the yield of crop plants. In barley (Hordeum vulgare, Hv), drought stress (DrStr) reduces grain filling rate and final grain weight. In the model plant in Arabidopsis thaliana, the level of the polyamine spermine (SPM) corresponds to drought and salt stress. This project aims at polyamines and the changes of transcript levels of spermine synthases (SPMS) in Hv reacting to DrStr. Two HvSPMS were identified and functionally and kinetically characterized in vitro. They form SPM only; thermospermine was not detected as product. In DrStr experiments with water stressed plants transcript levels of both HvSPMS genes were increased compared to control level at moderate and strong DrStr. Polyamine contents, putrescine and spermine in particular, were elevated under water stress, while spermidine content increased slightly. Thus HvSPMS gene activity can be used as marker for moderate and strong DrStr.

Kurzfassung Der folgende Bericht untersucht die ökonomischen Auswirkungen von Hochwasser auf die Landwirtschaft in Deutschland anhand von Hochwasserrisikogebieten sowie die Auswirkungen von extremen Dürre und Frostereignissen auf landwirtschaftliche Erträge von Weizen, Roggen, Gerste, Raps, Kartoffeln, Mais und Zuckerrüben. Damit baut der Bericht auf das Projekt „Agrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risikomanagementsystemen“ auf, welches vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) beauftragt und gefördert wurde und 2015 abgeschlossen wurde (Gömann et al. 2015). Der Literaturüberblick über die zukünftige Entwicklung von Hochwasserereignissen zeigt überwiegend eine steigende Tendenz von Hochwasserereignissen in der Zukunft, wobei das Ausmaß des Anstiegs regional und zwischen den Studien unterschiedlich ist. Insgesamt konnte in den Analysen ein maximaler Erlösverlust von 394 Mio. € beim Ackerland (davon 189 Mio. € auf Getreideflächen) ermittelt werden, wenn im Jahr 2010 100 Prozent der HQ100-Fläche in Deutschland betroffen gewesen wären. Für die Abschätzung der monetären Schäden von weiteren Extremwetterereignissen wurde der in Gömann et al. (2015) verwendete Schätzansatz geringfügig weiterentwickelt. Bei Winterweizen stellen die Verluste aufgrund von Kahlfrostextremereignissen mit ca. 30 Mio. €/Jahr den wichtigsten der untersuchten Schäden dar. Auch Trockenheit/Dürre zu unterschiedlichen Zeiten des Vegetationsverlaufes sowie extreme Hitze in der Blütezeit führen zu deutlichen Schäden auf sektoraler Ebene. In der Summe lagen die berechneten Schäden aufgrund von Trockenheit/Dürre/Hitze bei ca. 40 Mio. €/Jahr. Alle untersuchten Extremereignisse zusammen summieren sich auf 78 Mio. €/Jahr auf. Die Situation bei Wintergerste stellt sich insgesamt recht ähnlich dar und die Kosten summieren sich zusammen auf 36 Mio. €/Jahr auf. Für Winterraps summieren sich alle untersuchten Extremereignisse auf 47 Mio. €/Jahr, für Körnermais auf ca. 12 Mio. €/Jahr auf. Bei Kartoffeln haben Schäden aufgrund von extremer Sommertrockenheit die größte Bedeutung für Betriebe ohne Bewässerung, gefolgt von Ertragsverlusten aufgrund von Spätfrösten und Staunässe. Für Zuckerrüben konnten Schäden nur das Ereignis ‚Extreme Sommertrockenheit‘ bestimmt werden. Diese belaufen sich auf ca. 7 Mio. €/Jahr.

Der folgende Bericht untersucht die ökonomischen Auswirkungen von Hochwasser auf die Landwirtschaft in Deutschland anhand von Hochwasserrisikogebieten sowie die Auswirkungen von extremen Dürre und Frostereignissen auf landwirtschaftliche Erträge von Weizen, Roggen, Gerste, Raps, Kartoffeln, Mais und Zuckerrüben. Damit baut der Bericht auf das Projekt 'Agrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risikomanagementsystemen' auf, welches vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) beauftragt und gefördert wurde und 2015 abgeschlossen wurde (Gömann et al. 2015). Der Literaturüberblick über die zukünftige Entwicklung von Hochwasserereignissen zeigt überwiegend eine steigende Tendenz von Hochwasserereignissen in der Zukunft, wobei das Ausmaß des Anstiegs regional und zwischen den Studien unterschiedlich ist. Insgesamt konnte in den Analysen ein maximaler Erlösverlust von 394 Mio. € beim Ackerland (davon 189 Mio. € auf Getreideflächen) ermittelt werden, wenn im Jahr 2010 100 Prozent der HQ100-Fläche in Deutschland betroffen gewesen wären. Für die Abschätzung der monetären Schäden von weiteren Extremwetterereignissen wurde der in Gömann et al. (2015) verwendete Schätzansatz geringfügig weiterentwickelt. Bei Winterweizen stellen die Verluste aufgrund von Kahlfrostextremereignissen mit ca. 30 Mio. €/Jahr den wichtigsten der untersuchten Schäden dar. Auch Trockenheit/Dürre zu unterschiedlichen Zeiten des Vegetationsverlaufes sowie extreme Hitze in der Blütezeit führen zu deutlichen Schäden auf sektoraler Ebene. In der Summe lagen die berechneten Schäden aufgrund von Trockenheit/Dürre/Hitze bei ca. 40 Mio. €/Jahr. Alle untersuchten Extremereignisse zusammen summieren sich auf 78 Mio. €/Jahr auf. Die Situation bei Wintergerste stellt sich insgesamt recht ähnlich dar und die Kosten summieren sich zusammen auf 36 Mio. €/Jahr auf. Für Winterraps summieren sich alle untersuchten Extremereignisse auf 47 Mio. €/Jahr, für Körnermais auf ca. 12 Mio. €/Jahr auf. Bei Kartoffeln haben Schäden aufgrund von extremer Sommertrockenheit die größte Bedeutung für Betriebe ohne Bewässerung, gefolgt von Ertragsverlusten aufgrund von Spätfrösten und Staunässe. Für Zuckerrüben konnten Schäden nur das Ereignis 'Extreme Sommertrockenheit' bestimmt werden. Diese belaufen sich auf ca. 7 Mio. €/Jahr. This working paper analyses the economic impacts of floods in agriculture with the help of flood risk areas as well as the economic impacts of other extreme weather events such as droughts and frost on agricultural yields of wheat, barley, rye, potato, maize and sugar beets. The working paper builds upon research of the project of agricultural relevant extreme weather events which was initiated and supported by the German Federal Ministry of Nutrition and Agriculture (Gömann et al. 2015). A literature review about the future development of flood events shows an increasing tendency of flood events in the future whereas the dimension of this expected increase is very diverse between regions and studies analyzed. Altogether the analysis of this paper shows a maximum loss of revenues of 394 Mio. € on crop land (of which 189 Mio. € are on land cultivated with cereals) under the assumption that in the year 2010 hundred percent of HQ100 areas would be affected. For the estimation of monetary damages of further extreme weather events the estimation approach by Gömann et al. (2015) was slightly modified. For wheat the most important monetary losses of 30 Mio €/year are due to frost on snow-free areas. Furthermore dryness and drought during different steps of the vegetation period and extreme heat in the blooming period lead to considerable losses. In total the calculated sum of losses due to dryness, drought and heat are estimated to approximately 40 Mio €/year. Summing up the losses of all extreme weather events affecting wheat leads to costs of 78 Mio € /year. For winter barley the situation is similar to wheat and sums up to a total of 36 Mio €/year. For winter rye, losses of all extreme weather events sum up to 47 Mio €/year, and for maize to 12 Mio €/ year. Potatoes are mostly affected in farms without irrigation, followed by crop yield losses due to late frosts and soil wetness. For sugar beets losses could only be determined for the event of extreme summer dryness. Here losses are estimated around 7 Mio €/year.

[no abstract]

Der Bericht enthält den aktuellen Wissensstand zu Dürreindizes für die Anwendung in Sachsen. Dafür werden mehr als 100 Indizes aus den Gebieten Meteorologie, Hydrologie und Landwirtschaft sowie kombinierte Indizes charakterisiert. Berechnungen ausgewählter meteorologischer Dürreindizes für fünf Klimamessstationen und Modellierungen der Bodenfeuchte werden verglichen. Danach sind z. B. niederschlagsbasierte Indizes für Sachsen deutlich aussagekräftiger als rein temperaturbasierte. Die Veröffentlichung richtet sich an regionale Akteure sowie Planungsbüros, Bildungseinrichtungen und Unternehmen.

Journal für Kulturpflanzen 67(5) 2015, Im betrachteten Zeitraum (1998 bis 2012) fielen auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf durchschnittlich 608,8 mm Niederschlag pro Jahr. Das waren jährlich fast 100 mm (+19,5%) mehr als im Normalwert-Zeitraum 1961/90 an der Vergleichsmessstelle Treuenbrietzen (509,2 mm). Die Jahressummen variierten stark zwischen 392,4 mm (2003) und 786,7 mm (2007). Im Betrachtungszeitraum alternierten die mittleren Monatssummen des ersten Halbjahres im Vergleich zum langjährigen Normalwert; die des zweiten Halbjahreslagen durchweg über dem Vergleichswert. Die einzelnen Monatssummen variierten sehr stark: Ihr Wertebereich lag zwischen 0,6 mm (April 2007) und 191,8 mm (August 2002). Die mittleren Tagessummen wurden stark durch extreme Werte in Einzeljahren geprägt. Grundsätzlich sind im Jahresgang zwei Maxima (Sommer und Winter) sowie zwei Minima (Frühjahr und Herbst) erkennbar. Etwa die Hälfte der Tage war niederschlagsfrei. Deren monatlicher Anteil variierte zwischen 43,2% (November)und 59,8% (September). Sehr hohe Tagessummen traten vorrangig in den Sommermonaten auf. An vier Tagen waren es mehr als 50 mm. Als maximale Tagessumme wurden 68,2 mm (04.08.2002) registriert; an diesem Tag fielen in einer Stunde 41,6 mm (12:50 bis 13:50 Uhr MEZ) und in zehn Minuten 23,6 mm (13:10 bis 13:20 Uhr MEZ). Im Verlauf der Jahre war eine Zunahme der Zahl der Tage mit Tagessummen ≥ 2,0 mm nachweisbar. Gleichzeitig erhöhte sich die Zahl der Tage ohne Niederschlag. Die längste Trockenperiode währte 33 Tage (04.04. bis 06.05.2007); zwei weitere Trockenperioden dauerten mehrals 20 Tage.

Winter rye (Secale cereale L.) is predominantly cultivated on light and sandy soils with a low water holding capacity and will therefore be especially affected by drought induced yield losses in Central and Eastern Europe in the future. Drought adaption through breeding is therefore an important task in order to adapt this crop to future climate conditions. In this context, the crop physiology methods canopy temperature depression (CTD = Tair - Tcanopy) and carbon isotope discrimination (delta) were examined for their suitability as selection criterion under drought on a small number of genotypes. Two sets of each 16 genotypes were therefore grown under different drought conditions in rain-out shelters and under well-watered conditions in the years 2011, 2012, and 2013. The CTD was determined several times during the growth period using two infrared (IR) thermometers and an IR camera. delta-analyses were performed on mature flag leaves (delta_leaf) and grains (delta_grains). Furthermore, ash content in mature flag leaves and grains, as well as mineral concentrations in mature flag leaves (Ca, K, Mg, and Si) were examined for their use as surrogates for the expensive and time-consuming delta-analyses. In addition to the evaluation of possible selection criterions, the agronomic performance of rye in the different drought regimes was assessed: Grain-, straw-, and total aboveground biomass yields, the grain yield components spikes m-2, kernels spike-1, and thousand kernel weight (TKW), leaf area index (LAI), and phenological characteristics were examined. Drought induced grain yield reductions ranged from 14 to 57%, whereas straw yield was generally lesser affected. The growth period was shortened by up to 12 days under drought conditions compared to optimal water supply. Grain yield was positively associated to straw yield, LAI, spikes m-2, and kernels spike-1 under water deficit. High number of grains per area land seemed to be especially important for high grain yields under drought. Furthermore, the results suggest a strong importance of pre-anthesis reserves for the reallocation of assimilates for grain filling under drought in rye. Regarding the suitability of possible selection criterions, CTD was significantly positively related to grain yield under drought. Significant correlations between CTD and grain yield were, however, only observed when the measurements were carried out on days with optimal weather conditions. Optimal conditions turned out to be days with a clear sky, a solar irradiation >700 W m-2, an air temperature of at least 20°C, as well as wind speeds 700 W m-2, einer Lufttemperatur >20°C sowie einer Windgeschwindigkeit

[no abstract]

submitted by: Sofia Arena Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität für Bodenkultur Wien, Univ., Masterarbeit, 2015

submitted by: Yang, Li Mit deutscher Zusammenfassung Universität für Bodenkultur Wien, Univ., Masterarbeit, 2015

submitted by Yonten Dorji Mit Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität für Bodenkultur Wien, Univ., Masterarbeit, 2015

Reservoirs serve to compensate naturally fluctuating water availability and socio-economically driven water demand. To achieve this, flood water is retained and stored water is released to bridge periods of low flow. The required storage capacity when planning new dams and the operating rules of existing dams are determined on the basis of the observed flows at the site of the reservoir. The flow properties depend on the hydrology of the catchment area, which in turn is influenced by the climatic boundary conditions. Changes in climate therefore directly influence the input data used in reservoir design and the subsequent reservoir performance. A significant change in climate conditions is expected in the future due to the increasing concentration of greenhouse gases in the atmosphere. This raises the question of the impact of climate change on the performance of reservoirs and how adaption measures can be planed and chosen. The performance of reservoirs is evaluated probabilistically by considering the consequences and the probability of failure events. A distinction is made between failures due to floods and failures due to low flows. Probabilistic methods for evaluating the performance of flood protection provided by dams are well-established, whilst the corresponding method to evaluate the performance of dams that protectagainst low flows is newly developed. Combining these two methods makes it possible to determine the overall performance of a dam by means of the integrated water management risk for floods and low flows. The applied methods of stochastic generation of inflow boundary conditions allow us to quasi-continuously capture the potential impact of projected climate change and to map it using the climate impact function, which represents the relationship between climate-induced change of statistical properties of the inflow and the change in the performance of the studied reservoirs. The climate impact function assesses of the robustness of the reservoir. Robustness describes how sensitively the performance of the reservoir responds to changes in the inflow. Comparing the climate impact functions derived for different operation rules enables us to find adaption measures which preserve the performance of the reservoir for a climate-induced change in the inflow boundary conditions.

Diese Arbeit war ein Teilprojekt des Kompetenzzentrums „Flut und Hitze“ der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. Das gesamte Projekt beinhaltete bereits Untersuchungen über mögliche Folgen des lokalen Klimawandels (Überflutung/Trockenheit) auf andere Tiergruppen (z.B. Collembolen, Arachniden, etc.). Mit Hilfe der Laufkäfer als Bioindikatoren sollten mögliche Tendenzen des Klimawandels, aufgrund von Überflutungen, bzw. dem Ausbleiben von Überflutungen, aufgezeigt werden. In diesem Zusammenhang erfolgte die phänologische Erfassung der Laufkäfer in drei Untersuchungsgebieten entlang des Rheins: ein geschütztes Auwaldfragment und ein Polder in Ingelheim sowie ein Polder in Worms. Über einen Zeitraum von 2-3 Jahren wurde, mittels klassischer Fangmethoden (Bodenfallen), die Laufkäferfauna kontinuierlich erfasst. Insgesamt konnten im Auwald Ingelheim 2861 Individuen aus 59 Arten gefangen werden, im Polder Ingelheim 16029 Individuen aus 96 Arten und im Polder Worms 6946 Individuen aus 72 Arten. Seit 2003 wurde das Auwaldfragment nicht mehr vollüberflutet, was die geringe Anzahl an gefundenen auetypischen Arten erklärte. Die Laufkäferfauna des Auwaldes zeigte zwar noch einen deutlich feuchtegeprägten Charakter, jedoch war der Druck der einwandernden eurytopen Offenlandarten aus der Umgebung enorm. Der Polder Ingelheim wurde 2006 fertiggestellt und direkt im Anschluss beprobt. Der Polderinnenraum wurde durch den Bau eines ökologischen Flutungskanals an die Dynamik des Rheins angeschlossen. Der tiefergelegte Innenraum zeigte eine deutlich feuchteliebende Laufkäferfauna. Die trockenen höher gelegenen Randbereiche wiesen im Gegensatz dazu eine deutliche Ruderalfauna auf. Der Polder in Worms wurde bereits direkt nach seiner Fertigstellung 2001 von der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Seitz (Universität Mainz) beprobt. Die erneute Datenerhebung 2008 sollte mögliche Veränderungen in der Laufkäferfauna sowie eine mögliche Sukzession aufzeigen. Es zeigten sich deutliche Veränderungen der Laufkäfergemeinschaften an den Standorten sowie die Ausbildung verschiedener Mikrohabitate., This Dissertation was a project of the Kompetenzzentrums „Flood and Heat” of the Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. The hole project implies studies outcome climate change like flooding or drought impact of other arthropods (Collembola, Araneae). We used the carabid beetles as bioindicators to show possible changes in their population. In this study the carabid beetle fauna were investigated in three areas near the river rhine. The first habitat was a floodplain forest the second one a polder in Ingelheim. Third there was a polder in Worms. During a period of 2-3 years there was constantly pitfall trapping to show changes in the carabid beetle population because of the climate change. Altogether in the floodplain forest we found 2861 individuals of 59 species, in the polder Ingelheim 16029 individuals of 96 species and in the polder Worms 6946 individuals of 72 species. Since 2003 there was no flooding of the floodplain forest so we found there only a few specific species. We found a high number of immigrated carabid beetles from the outside fields and agricultural used grassland. In 2006 the Polder Ingelheim was completed. To preserve the former seepage areas an ecological flood channel was built. This areas are flooded caused by elevated Rhine levels. The effect of repeated flooding upon the Carabid beetles has been investigated. The results showed a lot of differences in the carabid population between the seepage areas and the nearer grassland. The Polder Worms was completed in 2001 and was investigated till 2004 by the AG Prof. Dr. Seitz (Uni Mainz). Since 2008 the hole area was examined again and a succession of the carabid fauna could be showed.

vorgelegt von Andreas Homolka Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2013 OeBB

Breeding for stress tolerance is the most cost effective way of avoiding drought-induced yield reduction in the tropics. Optimizing breeding for drought tolerance at CIMMYT could enhance the effectiveness of this multi-national breeding program and warrant fast delivery of drought tolerant materials to the farmers. Thus, the overall aim of my study was to improve the efficiency of drought tolerance breeding of maize at CIMMYT for the rapid and cost effective advancement of drought tolerant materials for the drought prone regions of the ESA (Eastern and Southern African countries). We screened a diverse source of tropical germplasm for their haploid induction rate (HIR) and the seasonal variation of this trait. We then compared various managed drought and well watered experiments conducted as line per se performance trials (LP) and testcross performance trials (TP) in Kenya and Mexico. Further, we estimated the relative selection efficiency of the principal breeding regions of CIMMYT for the tropics in ESA and Mexico with unselected and selected breeding materials. The specific objectives of my study were to (1) monitor the variation for HIR among diverse source germplasm in tropical maize, (2) determine the relative importance of general (GCA) and specific (SCA) combining abilities of the source germplasm for HIR, (3) investigate the influence of tropical summer and winter seasons and genotype × season interactions on this trait, (4) determine if LP is predictive of TP for yield under drought in sets of lines under development by the CIMMYT maize breeding program in Kenya and Mexico, (5) determine the genetic correlation between performance of lines per se under drought and testcrosses under optimal conditions and assessing its effect on yield potential, (6) examine the correlation between TP under well-watered and drought stress conditions for potential indirect selection efficiency of well-watered conditions in comparison with drought stress, (7) determine the relative importance of regional adaptation of maize hybrids to Mexico and ESA by subdividing the genotype × environment interactions and determining genotypic correlations between both regions, (8) calculate the indirect selection efficiency for selecting materials based on test results from one region on the selection gain in the other region, and (9) identify the most suitable stage for exchanging breeding materials between Mexico and ESA. Source germplasm and induction season affected HIR and MCR (mis-classification rate) considerably in tropical maize. Source germplam with high HIR and low MCR could be used in the initial stage of implementing the DH technology in the tropics. GCA effect was more important than SCA or genotype × season interaction effects for HIR in tropical maize. Thus, enhancing HIR in source germplasm can be achieved through cyclical breeding or recurrent selection. Winter season was considered the best season for induction because it provides suitable environmental conditions for higher HIR and lower MCR. Overall HIR was high enough to apply the in vivo DH technology in the routine breeding activities in tropical maize. There were moderate genotypic correlation and ISE (Indirect Selection Efficiency) values between LP and TP under drought that increased with an increase in stress level. Hence, LP trials were predictive of TP trials particularly under severe drought stress. Furthermore, screening of lines for LP under drought stress did not compromise yield potential. TP under well-watered conditions were not predictive of TP under drought stress emphasizing the need of managed drought trials to identify drought tolerant materials. With the current shift of inbred development to large scale DH line production, LP evaluations can reduce the cost of making large numbers of testcrosses and optimize breeding for drought tolerant hybrids in the tropics. The exchange of breeding materials between ESA and Mexico can be done with early and late generation materials. This is because there was negligible genotype by region interactions as compared to genotype by location interactions within each region and high genotypic correlations between the two regions. Further, ISE estimates for trials conducted in Mexico and in ESA were high. Adaptive diseases for each location might hamper the exchange of materials, however, with current molecular marker tools like marker assisted selection and genomic selection, the problem of selecting for disease resistance in the region where the disease is not prevalent seems promising. In conclusion, there are ample opportunities in the CIMMYT maize breeding program to optimize breeding for drought tolerance in the tropics through rapid and large scale production of DH lines and evaluation of these lines for LP in managed drought trials. Moreover, breeders from ESA and Mexico could benefit from each other?s materials and test results by regular exchange of breeding materials at both the early and late stages of testing. Die Züchtung auf Stresstoleranz ist der kosteneffektivste Weg, um Trockenheitsstress bedingte Ertragsverluste bei landwirtschaftlichen Kulturpflanzen zu minimieren. Eine Optimierung der Züchtungsstrategien am CIMMYT bezüglich Trockenstresstoleranz von Mais könnte die Effektivität dieses multi-nationalen Züchtungsprogramms enorm verbessern und eine schnellere Bereitstellung von trockenstress-tolerantem Material an die Farmer in den Zielregionen garantieren. Aus diesem Grund war das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeiten die Verbesserung der Effizienz der Züchtung von Mais auf Trockentoleranz am CIMMYT, um schneller und kostengünstiger Fortschritte bei der Entwicklung von trockenstresstolerantem Material zu erzielen, insbesondere für die durch Trockenheit stark gefährdeten Regionen im östlichen und südlichen Afrika (ESA, Eastern and Southern Africa). Mittels der Technologie zur Erzeugung von Doppelhaploiden(DH)-Linien wurde ein breites Spektrum von tropischem Material bezüglich seiner Haploiden-Induktionsrate (HIR) und der saisonalen Variation in diesem Merkmal untersucht. Weiterhin wurden vergleichende Experimente unter kontrollierter Trockenheit als auch unter optimaler Wasserversorgung durchgeführt, bei denen sowohl die Linieneigenleistung (LP = line per se performance) als auch Testkreuzungsleistung (TP = testcross performance) in Kenia und Mexiko erfasst wurde. Zusätzlich wurde die relative indirekte Selektionseffizienz (ISE) für die beiden tropischen Züchtungsregionen des CIMMYT, nämlich ESA und Mexiko, an unselektiertem und vorselektiertem Material untersucht. Die spezifischen Ziele der Untersuchungen waren (1) die Erfassung der Variation für HIR von tropischem Mais verschiedenen Ursprungs, (2) die Bestimmung der relativen Bedeutung von allgemeiner (GCA) und spezifischer (SCA) Kombinationseignung für HIR in einem di-allelen Kreuzungsschema mit verschiedenen tropischen Inzuchtlinien, (3) die Untersuchung des saisonalen Einflusses und der Genotyp x Saison-Interaktionen bei diesem Merkmal, (4) die Ermittlung der Vorhersageeignung von LP für den TP-Ertrag unter Trockenstress für Gruppen von Linien des CIMMYT-Maiszüchtungsprogramms in Kenia und Mexiko, (5) die Schätzung der genotypischen Korrelation zwischen LP unter Trockenstress und TP unter optimalen Bedingungen, bei Berücksichtigung der Auswirkungen auf das Ertragspotenzial, (6) die Untersuchung der Korrelation zwischen TP unter optimaler Wasserversorgung vs. Trockenstress Bedingungen zur Ermittlung der indirekten Selektionseffizienz unter diesen Testbedingungen, (7) die Ermittlung der relativen Vorzüglichkeit regionaler Adaptation von Maishybriden für Mexiko und ESA durch Aufteilung der Genotyp x Umwelt-Interaktionen und Schätzung der genotypischen Korrelation zwischen diesen beiden Regionen, (8) die Schätzung der indirekten Selektionseffizienz in selektiertem Material anhand der Ergebnisse einer Region und dessen Auswirkung auf den Selektionserfolg in der anderen Region und (9) die Identifizierung geeigneter Stadien für den Austausch von Zuchtmaterial zwischen Mexiko und ESA. Das Ausgangsmaterial und die Anbausaison beeinflussen HIR und MCR (Mis-Classification Rate) bei tropischem Mais. Ausgangsmaterial mit hoher HIR bei gleichzeitig niedriger MCR könnte als Ausgangsbasis für die Etablierung der DH Technologie in den Tropen dienen. Die GCA war wichtiger als die SCA oder die Genotyp x Saison Interaktionen für HIR. Aus diesem Grund kann ist die Verbesserung der HIR im Ausgangsmaterial durch rekurrente Selektion sehr aussichtsreich. Die Wintersaison war im Vergleich zur Sommersaison besser geeignet für die Haploiden-Induktion, da hier optimalere Umweltbedingungen für eine höhere HIR bei gleichzeitig geringer MCR vorherrschten. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die HIR ausreichend hoch ist, um die in-vivo DH-Technologie in den üblichen Züchtungsablauf bei tropischem Mais zu integrieren. Es wurden mittlere genotypische Korrelationen und ISE-Werte zwischen LP und TP unter Trockenstress gefunden, die sich bei einem Anstieg des Stressniveaus erhöhten. Dies bedeutet, dass LP-Ergebnisse einen hohen Vorhersagewert für TP haben, insbesondere bei extremem Trockenstress. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die Prüfung von Linien auf Eigenleistung unter Trockenstress deren Ertragspotenzial nicht maskierte. Demgegenüber war die TP unter optimalen Bedingungen nicht aussagekräftig für TP unter Stress. Dies unterstreicht die Notwendigkeit kontrollierter Trockenstress-Experimente, um trockenstress-tolerantes Material zu identifizieren. Mit dem Wechsel von der herkömmlichen Linienentwicklung zur serienmäßigen Produktion von DH-Linien ermöglicht die LP Evaluierung eine Reduzierung der Kosten für die Herstellung einer großen Anzahl von Testkreuzungen; insgesamt ermöglicht dies eine deutliche Verbesserung der Züchtung trockenstress-toleranter Hybriden für die Tropen. Der Austausch von Zuchtmaterial zwischen ESA und Mexiko kann sowohl in frühen als auch in späten Phasen der Materialentwicklung erfolgen. Dies ist möglich, weil die Genotyp x Region Interaktionen im Vergleich zur Genotyp x Orts-Interaktionen innerhalb der Regionen vernachlässigbar sind, bei gleichzeitig hoher genotypischen Korrelation zwischen den beiden Regionen. Zusätzlich waren auch die ISE-Werte für die Experimente sowohl in Mexiko als auch in ESA hinreichend hoch. Unterschiedliche Pflanzenkrankheiten in den beiden Zielregionen könnten allerdings einen Materialaustausch in Frage stellen. Mit den heute verfügbaren Techniken der modernen Pflanzenzüchtung, wie beispielsweise Marker-gestützte Selektion oder genomische Selektion, bestehen jedoch gute Aussichten, die in der jeweiligen Zielregion benötigten Resistenzgene in kurzer Zeit in das Zuchtmaterial einzukreuzen. Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass es vielfältige Möglichkeiten gibt, das Maiszüchtungsprogramm des CIMMYT zur Verbesserung der Trockenheitstoleranz in den Tropen zu optimieren. Insbesondere die Etablierung der DH-Technologie und die Prüfung der DH-Linien auf Eigenleistung unter kontrolliertem Trockenstress bieten vielversprechende Ansatzpunkte. Darüber hinaus könnten die Züchter in ESA und Mexiko von einem gegenseitigen Austausch von Zuchtmaterial und Ergebnissen sowohl in frühen aber auch späteren Stadien der Materialentwicklung enorm profitieren.

submitted by Maha Mohamed Ahmed Mahmoud Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2012 OeBB

Oxylipine sind Signalmoleküle, welche durch die enzymatische oder nicht-enzymatische Oxidation von Fettsäuren gebildet werden. Eine bedeutende Gruppe von Oxylipinen in Pflanzen sind die Jasmonate. Dazu zählen Jasmonsäure (JA), deren Vorstufe 12-Oxophytodiensäure (OPDA) sowie deren Metabolite. Ein bedeutender Metabolit von JA ist das Aminosäure-Konjugat JA-Isoleucin (JA-Ile), welches hohe biologische Aktivität besitzt. Besonders für die oberirdischen Organe von Pflanzen wurden bisher vielfältige Funktionen von Jasmonaten beschrieben. Sie sind beteiligt an verschiedenen Entwicklungsprozessen wie der Fertilität von Blüten, aber auch an der Abwehr von Pathogenen und Herbivoren und bei der Reaktion von Pflanzen auf abiotische Stressoren wie hohe Salzkonzentrationen oder Trockenheit. Über die Bildung und Funktion von Oxylipinen in Wurzeln ist bisher jedoch nur wenig bekannt. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit die Gehalte von Galaktolipiden und Jasmonaten in Spross und Wurzel von Arabidopsis thaliana Pflanzen verglichen. Mit Hilfe verschiedener JA Biosynthese-Mutanten konnte zudem die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel und deren biologische Funktion in diesem Pflanzenorgan untersucht werden. Um die Wurzeln der Arabidopsis Pflanzen einfach behandeln zu können und um schnell und stressfrei größere Mengen von Wurzelmaterial ernten zu können, wurde ein hydroponisches Anzuchtsystem etabliert. Die Analyse von Galaktolipiden zeigte, dass in der Wurzel deutlich geringere Galaktolipid Gehalte als im Spross vorhanden sind. Da Galaktolipide den Hauptbestandteil plastidärer Membranen ausmachen, in den Wurzeln insgesamt jedoch weniger Plastiden vorkommen als in Blättern, wäre dies ein möglicher Grund für den beobachteten Unterschied. Das Vorkommen von mit OPDA oder dnOPDA veresterten Galaktolipiden (Arabidopsiden) wird in der Literatur für die Thylakoidmembranen der Chloroplasten beschrieben. Die Analyse der Arabidopsid Gehalte von Wurzeln konnte diese Aussage stützen, da in Wurzeln, welche normalerweise keine Chloroplasten besitzen, nahezu keine Arabidopside detektiert werden konnten. Die Analyse der Jasmonate zeigte anhand von Pfropfungsexperimenten mit der Jasmonat-freien dde2 Mutante, dass die Wurzeln unabhängig vom Spross in der Lage sind Jasmonate zu bilden, obwohl die Expression vieler JA-Biosynthese-Gene in den Wurzeln sehr gering ist. Zudem zeigten diese Experimente, dass es keinen direkten Transport von Jasmonaten zwischen Spross und Wurzel gibt. Die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel konnte durch verschiedene Stresse wie Verwundung, osmotischen Stress oder Trockenheit induziert werden. Kälte und Salzstress hatten hingegen keinen Jasmonat-Anstieg in den Wurzeln zur Folge. Anders als bei osmotischem Stress und Trockenheit, wo sowohl die Gehalte von OPDA als auch von JA und JA-Ile anstiegen, konnte bei Verwundung keine Zunahme der OPDA-Spiegel detektiert werden. Hier kam es zu einer deutlichen Abnahme, wohingegen die JA und JA-Ile Spiegel sehr stark anstiegen. Dies deutet darauf hin, dass es sehr komplexe und vielfältige Regulationsmechanismen hinsichtlich der Bildung von Jasmonaten gibt. Der erste Schritt der JA-Biosynthese, die Bildung von 13-Hydroperoxyfettsäuren (HPOTE), wird durch 13-Lipoxygenase (LOX) Enzyme katalysiert. In Arabidopsis sind vier unterschiedliche 13-LOX Isoformen bekannt. Die Untersuchung verschiedener 13-LOX-Mutanten ergab, dass nur die LOX6 an der Biosynthese von Jasmonaten in der Wurzel beteiligt ist. So konnten in Wurzeln der lox6 Mutante weder basal noch nach verschiedenen Stressen bedeutende Mengen von Jasmonaten gemessen werden. Im Spross dieser Mutante war basal kein OPDA vorhanden, nach Stresseinwirkung wurden jedoch ähnliche Jasmonat Gehalte wie im Wildtyp detektiert. Um Hinweise auf die biologische Funktion von Jasmonaten in Wurzeln zu erhalten, wurden Untersuchungen mit einer lox6 KO Mutante durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass abgeschnittene lox6 Wurzeln, welche keine Jasmonate bilden, im Vergleich zum Wildtyp von saprobiont lebenden Kellerasseln (Porcellio scaber) bevorzugt als Futter genutzt werden. Blätter dieser Mutante, welche nach Stress annähernd gleiche Jasmonat Gehalte wie der Wildtyp aufweisen, wurden nicht bevorzugt gefressen. Von der Jasmonat-freien dde2 Mutante wurden hingegen sowohl die Wurzeln als auch die Blätter bevorzugt gefressen. Neben den Experimenten mit Kellerasseln wurden auch Welke-Versuche mit lox6 und dde2 Pflanzen durchgeführt. Hierbei wiesen die lox6 Pflanzen, nicht aber die dde2 Pflanzen, eine erhöhte Suszeptibilität gegenüber Trockenheit auf. dde2 Pflanzen haben im Gegensatz zu LOX Mutanten unveränderte 13-HPOTE Gehalte, aus denen auch andere Oxylipine als Jasmonate gebildet werden können. Dies zeigt, dass durch LOX6 gebildete Oxylipine, im Falle von Trockenheit aber nicht Jasmonate, an der Reaktion von Arabidopsis Pflanzen auf biotische und abiotische Stresse beteiligt sind., Oxylipins are signaling molecules derived by enzymatic or non-enzymatic oxidation of fatty acids. Jasmonates are one important group of oxylipins in plant. This group includes jasmonic acid (JA), its precursor 12-oxophytodienoic acid, and all JA metabolites. The amino acid conjugate JA-isoleucine (JA-Ile) is one relevant metabolite of JA which shows high biological activity. For the aerial parts of plants, many different functions of jasmonates have been described. Jasmonates are involved in developmental processes like the flower fertility. Furthermore, these compounds function as signals in defense reactions against pathogens and herbivores and in the response to abiotic stress like high salt concentrations or drought. For roots, much less is known about the formation and function of jasmonates. Therefore, in this work the levels of galactolipids and jasmonates in roots of Arabidopsis thaliana in comparison to leaves were analyzed. Using mutants in different steps of jasmonate biosynthesis the formation and biological function of jasmonates in roots were investigated. For easy handling, treatment, and harvest of root material a hydroponic system was established. The analysis of galactolipids showed reduced contents of these compounds in roots in comparison to the shoots. These differences might occur due to the fact that galactolipids are the main compounds of plastid membranes and that roots in general contain less plastids than the leaves. In the literature it is described, that galactolipids esterified with OPDA or dnOPDA (arabidopsides) only occur in the thylakoid membranes of chloroplasts. The analysis of arabidopsid contents in roots supports this statement since nearly no arabidopsides were detectable in roots, which do normally not have chloroplasts. The analysis of jasmonates with different grafting experiments using the jasmonate free dde2 mutant showed that roots were able to synthesize jasmonates independently of the shoot although the expression of several JA biosynthesis genes is very low. These experiments also pointed out that there is no transport of jasmonates between the shoot and the root. Jasmonates accumulated in roots upon different stresses such as wounding, osmotic stress, or drought. Cold and salt stress did not lead to increased jasmonate levels in the roots. Osmotic and drought stress resulted in an increase of all three analyzed jasmonates whereas after wounding only JA and JA-Ile showed higher concentrations. OPDA levels strongly decreased after this type of stress. This suggests the existence of diverse and complex regulatory mechanisms of stress-induced jasmonate synthesis. 13-lipoxygenase (13-LOX) enzymes are involved in the first step of the JA biosynthesis, the formation of 13-hydroperoxy fatty acids (HPOTE), and four 13-LOX isoforms exist in Arabidopsis. Investigation of different 13-LOX mutants revealed that only the LOX6 enzyme is involved in the biosynthesis of jasmonates in roots. In roots of the lox6 mutant no jasmonate levels were detectable, neither basal nor after different stress treatments. In the shoot of this mutant no basal OPDA was measurable. However, after stress treatment nearly the same amounts of jasmonates were detected. To investigate the function of jasmonates in roots a lox6 KO mutant was used. The experiments showed that detached roots of the lox6 mutant which do not produce jasmonates were the preferred food of the detritivorous crustacean Porcellio scaber in comparison to roots of the wild type. Detached leaves of this mutant which show nearly the same amount of jasmonates after stress like the wild type were not eaten faster. However, detached roots and leaves of the jasmonate free dde2 mutant were both preferred in comparison to the wild type. Besides the investigations with P. scaber also drought experiments were carried out. The lox6 mutant but not dde2 was more susceptible to drought. In contrast to LOX mutants, dde2 plants show unaltered levels of 13-HPOTE which can also be converted to other oxylipins than jasmonates. This indicates that LOX6 derived oxylipins are important for the response to biotic and abiotic factors. However, concerning to drought this is not the case for jasmonates.

submitted by: Barbara Teizer Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2010

Johanna Margarete Schüller Graz, Univ., Dipl.-Arb., 2010

by Ali Moghaddam Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2010 OeBB

Climate risk studies have largely neglected household coping and adaptation strategies. In this paper we analyze drought impacts, drought risk management, and resulting drought resilience in Awash River Basin of Ethiopia based on socio-economic data collected from 43 randomly selected Peasant Associations. We find that severe drought periods have led to a significant depression of crop yields and to widespread death of livestock in the past. Drought periods have drastically increased the proportion of food insecure households and lengthened the duration of food insecurity in the area. Since, with climate change, drought periods are predicted to become more frequent in this region in the future, the problem of food insecurity is likely to become even more severe. Ex-ante adaptation strategies are widely practised in Awash River Basin and include the storage of crop residues as fodder for livestock, the rearing of drought tolerant livestock, mixed cropping, the use of short duration crop varieties, and the adoption of soil and water conservation practices. Ex-post coping strategies utilized to manage the consequences of drought include the sale of assets and the reliance on consumption loans and support offered by informal networks. Therefore, suitable policies are urgently needed to strengthen farmers? capacity to adapt to and cope with drought. Training farmers in the production and conservation of livestock fodder as well as in soil and water conservation practices appear to be key policy options relevant in the area. Moreover, improving farmers? access to climate related information, especially drought forecasts, could improve the timely adoption of effective adaptation measures.

eingereicht von Katja Richter Text teilw. dt. und engl. Zsfassung in dt. und engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2009 OeBB

by Alexandra Sözer Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2008

von Martin Reinhold Zetter Zsfassung in engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Dipl.-Arb., 2008

This dissertation is about the use of carbon (C) and nitrogen (N) stable isotope composition of cattle hair as a recorder and integrator of C and N cycling components in organisms, agroecosystems, and at the regional scale. The first aim was to develop and assess a method for the extraction of a temporal record of the isotopic history of an animal’s diet. Cattle tail switch hair was collected from different animals and hairs were washed, sectioned, and 10-mm-long sections analysed for C and N isotope composition (d13C and d15N). Isotope signatures along paired hairs were similar (r2 about 0.8), indicating that a single hair constituted a representative sample and hair growth rate was the same for paired hairs. Comparison of isotopic profiles from hair collected at different times identified the segment produced during the respective interval and allowed calculation of average individual hair growth rates (mostly 0.60 to 0.92, mean 0.79 mm d-1). The method was then used to explore the factors that affect the stable isotope composition on the organism and ecosystem level. Isotope signatures of cows from the same New Zealand dairy farm were similar in mean and pattern, while there were clear differences between farms, indicating that feeding practices and farm system characteristics had strong effects on hair isotope signatures. The d13C signal of hair samples collected from a range of cattle operations in Upper Bavaria was primarily determined by the proportion of maize in the diet (r2=0.96). Thus, for this region, d13C of hair provided an indicator of the land use system (arable maize-based forage crop versus grassland farming) on which the cattle production system was based. The d15N in the same study was a complex parameter, but the long-term overall signal of adult animals in farms was correlated with stocking rate (r2=0.55) and N input surplus (farm gate) (r2=0.78), indicating that farm system d15N was dominated by volatile N losses. Hence, cattle hair 15N signature appears to indicate the ‘leakiness’ of cattle production systems for N. The 13C signature of cattle grazing humid temperate grassland (in which C4 plants are absent) was related to the hydrological conditions of the pastures that they grazed. In a 5-year study, hair analysis revealed that community-scale, season-mean 13C discrimination (D13C) only varied between 19.8‰ and 21.4‰. In conclusion, this work demonstrates that hair C and N isotope analysis is a powerful tool to study the nutritional ecology and physiology of cattle, and the ecology of grasslands, agroecosystems, and regions. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Zusammensetzung der stabilen Isotope des Kohlenstoffs (C) und des Stickstoffs (N) in Rinderhaaren und ihrer Funktion als Archive und Integratoren der C- und N-Kreisläufe in Organismen, Agrarökosystemen und Regionen. Das erste Ziel war die Entwicklung und Bewertung einer Methode, die es ermöglicht, den zeitlichen Verlauf der isotopischen Zusammensetzung der Nahrung eines Tieres zu erfassen. Zu diesem Zweck wurden Schwanzquastenhaare von verschiedenen Rindern gesammelt. Die Haare wurden gewaschen und in 10 mm lange Stücke unterteilt, welche dann auf ihre C und N Isotopenzusammensetzung (d13C und d15N) hin untersucht wurden. Die Isotopensignaturen von paarweise analysierten Haaren eines Tieres zeigten dabei eine hohe Übereinstimmung (r2 etwa 0.8), was darauf hindeutet, dass bereits ein einzelnes Haar als repräsentative Probe betrachtet werden kann und die Wachstumsraten benachbarter Haare vergleichbar sind. Der Vergleich der Isotopensignaturen entlang von Haaren verschiedener Beprobungszeitpunkte ermöglichte die Berechnung der mittleren, individuellen Haarwachstumsrate (meist 0.60 bis 0.92, im Mittel 0.79 mm d-1). Diese Methode wurde anschließend zur Erforschung der Einflussgrößen verwendet, welche die Isotopenzusammensetzung auf der Ebene des Organismus bzw. des Ökosystems beeinflussen. Die Mittelwerte und Muster der Isotopensignaturen von Kühen innerhalb einzelner neuseeländischer Milchviehbetriebe zeigten eine hohe Übereinstimmung, während zwischen Betrieben deutliche Unterschiede erkennbar waren. Dies deutete darauf hin, dass Fütterung und Bewirtschaftungssystem einen großen Einfluss auf die Isotopensignaturen in Haaren hatten. Das d13C Signal von Haarproben eines breiten Spektrums rinderhaltender Betriebe in Oberbayern wurde in hohem Maße vom Maisanteil in der Futterration bestimmt. Für die untersuchte Region kann die 13C Signatur somit als Indikator des Landnutzungssystems (Mais-basierter Ackerfutterbau gegenüber Grünlandwirtschaft) herangezogen werden, auf dem die Rinderproduktion basiert. In derselben Studie erwies sich die 15N Signatur als komplexer Parameter, wobei das Langzeitsignal ausgewachsener Tiere auf Betriebsebene mit dem Viehbesatz (r2=0.55) und dem N Import-Überschuss (Hoftor) (r2=0.78) korrelierte. Dies deutet darauf hin, dass die 15N Signaturen auf Betriebsebene von gasförmigen Verlusten bestimmt wurden. Die 15N Signatur in Rinderhaaren lässt also offenbar Rückschlüsse auf die N-Verluste der Produktionssysteme zu. Die 13C Signaturen von Weiderindern im feucht-gemäßigten Klima (Fehlen von C4 Pflanzen) waren von den hydrologischen Verhältnissen der Weiden abhängig. In einer fünf-jährigen Studie konnte anhand von Haaranalysen gezeigt werden, dass auf der Ebene der Pflanzengesellschaft die 13C Diskriminierung (D13C) im Mittel der Vegetationsperiode nur zwischen 19.8‰ und 21.4‰ variierte. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Analyse der Isotopenverhältnisse von C und N in Haaren ein aussagekräftiges Instrument für das Studium der Ernährungsökologie und Physiologie von Rindern sowie der Ökologie von Grünland, Agrarökosystemen und Regionen darstellt.

Hohe Stickstoff(N)düngung im Maisanbau führt häufig zu einer starken Umweltbelastung. Daraus lässt sich in Bedarf an Maissorten ableiten, die an Böden mit geringerer N-Versorgung angepasst sind. In der vorliegenden Studie sollte ermittelt werden, ob Hybriden mit spezieller Anpassung an Böden mit geringer N-Versorgung eine höhere Ertragssicherheit aufweisen als solche, die auf einem hohen N-Düngungsniveau selektiert worden waren. Es wurde geprüft, inwiefern N-effiziente Hybriden über eine höhere Trockenstresstoleranz verfügen. Zudem stellte sich die Frage, ob Elternlinien unterschiedlicher N-Effizienz zu einem erhöhten Heterosiszuwachs führen. Die Hybriden wurden auf Unterschiede bezüglich der Komponenten der N-Effizienz, insbesondere der N-Aufnahme und N-Verwertungseffizienz, untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Feldexperimente in insgesamt 14 Umwelten auf jeweils niedrigem (NL) und hohem (NH) N-Niveau durchgeführt. Zur Untersuchung gelangte ein Satz von Hybriden, deren Elternlinien aufgrund überlegener Testkreuzungsleistung auf der NL-Stufe (L-Linien) bzw. NH-Stufe (H-Linien) miteinander kombiniert worden waren. Im Mittel zeigten die L×L-Hybriden im Vergleich zu den H×H-Hybriden auf der NL-Stufe eine signifikante Ertragsüberlegenheit, auf der NH-Stufe war ein entgegengesetzter Effekt zu beobachten. Die erhöhte N-Effizienz einer Hybride war jedoch nicht gleichzeitig mit einer verbesserten Toleranz gegenüber Trockenstress verbunden. Die L×L-Hybriden verfügten tendenziell über eine höhere Ertragssicherheit als die H×H-Hybriden. Auf keiner der beiden N-Stufen konnte ein signifikant erhöhter Heterosiszuwachs für die Merkmale Korntrockenmasse und Korntrockensubstanzgehalt nachgewiesen werden. Hinsichtlich der Komponenten der N-Effizienz konnte auf der NL-Stufe festgestellt werden, dass die Hybriden im Mittel eine geringere N-Aufnahme als auf der NH-Stufe aufwiesen. Unter N-Mangelbedingungen wurde der zur Verfügung stehende Stickstoff jedoch effizienter verwertet. Increased fertilization with nitrogen (N) in maize production areas often leads to pollution. Maize varieties with improved N-use efficiency under low soil N conditions can therefore contribute to sustainable agriculture. The objectives of this study were to investigate, whether i) hybrids with special adaptation to low soil nitrogen condition show higher yield stability than those which were selected in high nitrogen environments ii) N-efficient hybrids are more tolerant to drought conditions, iii) combination of parent lines with differences in N-efficiency leads to increased heterosis and iiii) hybrids show differences concerning components of N-efficiency, in particular N-uptake and N-utilization efficiency. A set of hybrids was generated with parent lines showing superior testcross performance at low or high N-levels, designated L-lines and H-lines, respectively. Field trials were conducted in 14 environments: each trial was grown under high (NH) and low (NL) nitrogen level. Under NL-conditions LxL-hybrids outyielded HxH-hybrids significantly, while at NH the HxH-hybrids showed higher grain yield than LxL hybrids. N-efficient hybrids did not show increased drought tolerance. LxL-hybrids tended to have higher yield stability than HxH-hybrids. Significant increase of heterosis for the traits dry matter yield and dry matter content was not found, neither at NL nor at NH-level. Under NL-conditions N-uptake was reduced, but N-utilization efficiency increased.