s/pflanzenernährung,/Pflanzenernährung/gi
Land and water shortages are currently driving the use of wetland sites in East African savannah environments. Pastoralists, traditional subsistence farmers, and commercial farms increasingly compete for limited land and water resources. Transfers between wetlands and surrounding dryland savannahs are changing both on a material level and the social level. International interests interfere with the decision-making of local resource users and changes in wetland use are frequently linked to global processes. Ecosystem collapse phenomena and social conflicts increasingly centre on wetlands. The dynamics of the coupled biophysical and socio-cultural processes are seen to determine the resilience, collapse or eventually the reorganisation of agriculturally used wetlands. The interdisciplinary sub-project will describe wetland ecosystem changes under intensified use and establish threshold values for land use. In close collaboration with subprojects B1, B2 and C3 the diverse economic and social strategies of various resource users in the face of changing bio-geophysical conditions will be described, and the rapidly unfolding political ecology of initially two contrasting wetland systems in the East African savannah will be documented.
Poplar could succeed in nutrient rich areas as well as in nutrient poor forests soils where plants live in symbiosis with certain soil fungi to enable sufficient nutrition. Due to its huge demand, nitrogen, as major nutrient, is of special interest for poplar nutrition. In this project we want to characterize nitrate, ammonium and amino acid transporters from poplar roots that are differentially regulated as result of nitrogen nutrition (shortage or nitrogen excess), or by plant/fungus interaction. The kinetic parameters of selected transporters will be determined by heterologous expression. Tissue and organ specific expression of certain transporter genes will be investigated by Northern blot and RT-PCR and by the utilization of poplar transformants containing promoter-GFP fusions. GFP fusions with truncated promoters will also be used for the identification of cis-elements responsible for the nitrogen-dependent expression of selected transporter genes. In addition, the global impact of nitrogen nutrition on poplar gene expression will be investigated using macro and micro arrays hybridization and probes of poplar roots grown at different nitrogen sources and concentrations as well as mycorrhizas.
Die Form des Stickstoffangebotes übt einen nachhaltigen Einfluss auf Wachstum und Produktivität der meisten Kulturpflanzen aus. Hierfür werden verschiedene Prozesse verantwortlich gemacht. Ammoniumernährung übt einen nachhaltigen Einfluss auf die Quantität und Qualität der Gehalte an Aminosäuren, organischen Säuren und Zucker aus. Da alle diese Inhaltsstoffe die ernährungsphysiologische und sensorische Qualität der pflanzlichen Erzeugnisse stark beeinflussen, ist davon auszugehen, dass die Form der N-Ernährung einen größeren Einfluss auf die Qualität ausübt, als dies gemeinhin angenommen wird. Eine solche Vermutung wird noch dadurch unterstützt, dass durch Ammoniumernährung i.d.R. die Kaliumgehalte stark vermindert werden, was wiederum nicht ohne Auswirkungen auf die Qualität bleibt. Im Rahmen des vorliegenden Projektes sollen die physiologischen Auswirkungen der Form der N-Ernährung auf die Wassernutzungseffizienz, die Resistenz gegenüber Wasser- und Salzstress sowie auf qualitätsbestimmende Inhaltsstoffe untersucht werden. In einer anschließenden Phase sollen die Ergebnisse genutzt werden, um die Ernährungssituation der Pflanze in diesen Stressstituationen, die sowohl in Israel als auch in Palästina verbreitet auftreten, gezielt zu verbessern.
Im Jahr 2018 wurden in Deutschland rund 866 Millionen Tonnen Treibhausgase produziert, wobei weltweit 10-12 % der anthropogenen Treibhausemissionen der Landwirtschaft zuzuordnen sind. Während der Austausch an CO2 durch die gleichzeitige CO2 Fixierung in organische Masse fast ausgeglichen ist, beträgt der Anteil der Landwirtschaft bei Methan 50 % und Lachgas sogar 60 % aller Emissionen. Dies ist vor allem auf den Einsatz mineralischer und organischer Düngemittel zurückzuführen. Ohne ein aktives Gegensteuern wird eine Steigerung der Lachgasemissionen um 30-65 % bis 2030 in der Agrarwirtschaft erwartet. Um das gesetzte klimapolitische Ziel einer weitgehenden Treibhausgas-Neutralität bis 2050 zu erreichen, stellt ein klimaschonender Anbau von nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft eine wichtige Strategie dar. Ein zentraler Teilaspekt dieser Strategie könnte die Ansiedlung der gegenüber biotischen und abiotischen Bedingungen toleranten terrestrischen Cyanobakterien sein, die in der Lage sind Luftstickstoff zu fixieren und in - für andere Organismen verwertbaren - Stickstoff umzuwandeln und an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich dazu wachsen terrestrische Cyanobakterien eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen was zu einer wünschenswerten Bodenstabilisierung und damit zum Schutz vor Bodenerosion sowie zur Förderung der Wasserspeicherung im Boden beitragen könnte. Hierzu sollen stickstofffixierende Cyanobakterien, die aus der kühlgemäßigten Klimazone isoliert wurden, eingesetzt werden. Geeignete Stämme müssen die Stickstofffixierung räumlich durch die Ausbildung von Heterozysten vom Photosyntheseapparat getrennt haben und den bioverfügbaren Stickstoff an die Umgebung abgeben. Co-Kultivierungen von Cyanobakterien mit Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) sowie Triticum aestivum (Weizen) sollen zeigen, ob eine künstlich induzierte Symbiose möglich ist. Neben der Agrarpflanze Weizen wurde A. thaliana ausgewählt, da es sich hierbei um eine schnellwachsende und gut charakterisierte Modellpflanze handelt und sie zur selben Familie wie die Nutzpflanzen Kohl, Brokkoli und Meerrettich zählt. Zur Ausbringung der Biofilme in die Agrarwirtschaft sollen diese auf einem biologisch abbaubaren Trägermaterial immobilisiert werden. Hierfür soll ein Aerosolreaktor konzipiert und charakterisiert sowie ein Animpf- und Ernteverfahren etabliert werden. Zusätzlich dazu soll der Wasserrückhalt der Biofilme durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Abschließend soll die Co-Kultivierung von immobilisierten Cyanobakterien auf dem Trägermaterial und Pflanzen in Pflanzsubstraten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden. Hier soll die Frage beantwortet werden, ob ein periodisches Ausbringen der Cyanobakterien notwendig ist, oder ob eine dauerhafte Implementierung von Biofilmen im Boden möglich ist.
FORMULA untersucht die ökosystemaren Leistungen (Nature’s Contributions to People, NCP) von Agroforstsystemen. Ziel ist es, optimale Bewirtschaftungsoptionen zu identifizieren, die sich aus der Integration von Bäumen in Ackerland ergeben. FORMULA, das sich in zwei Projektphasen gliedert, analysiert NCPs in zwei sukzessiven Agroforstsystemen in Hessen und Brandenburg (Deutschland) mit unterschiedlichen Produktionssystemen (ökologisch vs. konventionell) und Umweltbedingungen. Die Baumreihen erzeugen im Feld räumliche Gradienten von Umweltfaktoren. Diese bilden die Grundlage für zwei primäre Forschungsziele; erstens die Bewertung der Produktionsleistung und der Umweltwirkungen von silvo-arablen Agroforstsystemen im Vergleich zu baumlosen landwirtschaftlichen Referenzsystemen und zweitens die Verbesserung des mechanistischen Verständnisses der Prozesse, die den räumlichen Mustern von NCPs zugrunde liegen. Zwei zentrale Hypothesen von FORMULA sind, dass (H1) die räumliche Komplexität innerhalb eines Feldes als eine Reihe von NCP-Gradienten von den Baumreihen zum offenen Feld ausgedrückt werden kann und dass (H2) sich die NCP-Gradienten auf der Feldskala überlappen, mit Synergien und Kompromissen in Bezug auf Umweltwirkungen und agronomische Leistungen. FORMULA ist in fünf Teilprojekte (SP1-5) und ein koordinierendes Projekt (SPZ) gegliedert, in denen NCP in Bezug auf Klima, Wasserverfügbarkeit, Bodennährstoffe, Biodiversität, Habitat sowie Nahrungs- und Futtermittelproduktion untersucht werden. Die enge Kooperation zwischen der Justus-Liebig-Universität Gießen und dem Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) stärkt dieses interdisziplinäre Projekt. Neben den spezifischen Forschungsarbeiten in den Teilprojekten umfasst FORMULA drei zentrale Experimente, bei denen die Teilprojekte eng zusammenarbeiten. Das erste konzentriert sich auf die Auswertung von Gradienten entlang von Transekten, die senkrecht zur Baumgrenze verlaufen. Im zweiten wird mit Hilfe der Markierung von Stickstoff (15N) die Konkurrenz zwischen Bäumen und Pflanzen um diesen wichtigen Nährstoff untersucht. Das dritte Experiment dient der Erfassung räumlich hochaufgelöster Daten zur Hochskalierung von NCP auf die Feldebene. FORMULA wird auch ein innovatives Referenzsystem für die Agroforstforschung entwickeln und testen. Alle Experimente folgen einem dreistufigen Ansatz: Kernexperimente, die an beiden Standorten mit identischen Methoden durchgeführt werden (Stufe 1); Experimente, die an beiden Standorten mit vergleichbaren Methoden umgesetzt werden (Stufe 2); individuelle Experimente die eine spezifische wissenschaftliche Infrastruktur erfordern (Stufe 3). In der zweiten Phase von FORMULA wird ein integriertes mechanistisches Agroforstmodell entwickelt, das für das Upscaling auf Landschaftsebene und die Analyse von Nutzungsszenarien erforderlich ist. Ein Modellbeirat wird diese Modellentwicklung in erste Phase vorbereiten und begleiten.
Aktuell resultieren aus zwei Forschungsprojekten und einem Patent heraus eine Reihe von Erfahrungen und Erkenntnissen bezüglich des erstmaligen Einsatzes von variablen Werkzeuggeometrien in der Bodenbearbeitung und den Wechselwirkungen zwischen Zugkraftbedarf und Arbeitsergebnis. Deutlich zeigte sich in den Labor- und Feldversuchen ein Reduktionspotential des Kraftbedarfs der Zinkenwerkzeuge von bis zu 12,5 % ohne Einschränkungen der Arbeitsqualität, wenn der Anstellwinkel auf die lokalen Bodenbedingungen optimiert wird. Eine Regelungsstrategie des Anstellwinkels wurde entwickelt, umgesetzt und unter Praxisbedingungen initial erprobt, wobei das Reduktionspotential nachgewiesen werden konnte. Das Arbeitsergebnis in Form der Oberflächenstruktur wurde mittels LiDAR Oberflächenvermessung erfasst und bewertet. Dabei wurden nur minimale Unterschiede in Bezug auf Furchentiefe und Rauigkeit festgestellt. Bislang standen die Zinkenwerkzeuge allein im Fokus der Untersuchungen. Im realen Grubbergerät schließen sich weitere Werkzeuge zur Einebnung und Rückverdichtung an, die ebenfalls einen Einfluss auf den Zugkraftbedarf und vor allen Dingen auf das Arbeitsergebnis haben. Der erreichte Erkenntnisstand bietet eine ideale Voraussetzung für eine Weiterarbeit zusammen mit einem Anwender. Ein Erkenntnistransferprojekt bietet sehr gute Erfolgsaussichten, dass Ergebnisse der Grundlagenforschung in Anwendung gebracht werden können. Im Erkenntnistransferprojekt sollen belastbare Aussagen des Reduktionspotentials der Zugkraft für ein breites Spektrum von Bodenparametern (besonders Bodenart und Bodenfeuchte), bei Einhaltung der Arbeitsqualität, ermittelt werden. Auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse wird ein praxistaugliches 3 bis 5m Versuchsgerät (einschließlich Nachbearbeitungswerkzeuge) entwickelt, auf dessen Basis eine Abschätzung von Aufwand und Nutzen des Reduktionspotentials erfolgt. Als zusätzlicher und neuer Indikator für das Arbeitsergebnis, neben den bereits genannten Parametern, wird mit bildgebenden Verfahren und weitestgehend automatisiert zusätzlich der Pflanzenaufgang für von außen unsichtbare Änderungen der Bodenverhältnisse mit betrachtet. Die weiterführenden Untersuchungen sind zum jetzigen Stand dringend notwendig, um die positiven Potentiale zu validieren und Bedenken von Herstellern und Landwirten gegenüber Änderungen im bestehenden System absichern zu können. Erst dann ist es möglich, die Erkenntnisse von der Grundlagenforschung in die Anwendung zu überführen.
In der landwirtschaftlichen Prozesskette von der Ernte bis zum Verbraucher sind Kartoffelknollen vielen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die häufig innere strukturelle und physiologische Schäden mit sich bringen. Diese Beschädigungen können über eine Folge von biochemischen Prozessen zur Bildung des dunklen Farbstoffs Melanin führen. Solche Melaninablagerungen sind als braune oder schwarze Flecken bekannt und gehen mit Änderungen von Gewebetextur, Geschmack und Nährwert einher. In der Vergangenheit wurden vor allem die Einflüsse von Wachstums- und Ernteparametern wie beispielsweise Düngung, Erntetemperatur, Sorte oder Reife auf die Neigung zur Schwarzfleckigkeit untersucht. Auch wenn aus diesen Untersuchungen bekannt ist, dass vor allem die mechanischen Eigenschaften des Knollengewebes die Neigung zur Schwarzfleckigkeit beeinflussen, steht noch kein physio-mechanisches Modell zur Verfügung, dass eine Verbindung zwischen dem Spannungs-Dehnungsverhalten von Knollengewebe und der Bildung von schwarzen Flecken herstellt.Aus diesem Grund wird im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ein Mehrfeldmodellierungsansatz entwickelt, der ein inelastisches Konstitutivgesetz für Kartoffelgewebe und eine Reaktionskinetik für die zeitaufgelöste Bildung von schwarzen Flecken umfasst. Die Konstitutivparameter für das Spannungs-Dehnungsgesetz und die Verfärbungskinetik werden auf der Basis von Experimenten an Gewebeproben bestimmt, die die Entwicklungsgeschichte der Knollen abbilden. Diese Untersuchungen umfassen Kompressionsversuche, Messungen der Atmungsaktivität und Verfärbung sowie Experimente zur Bestimmung von Gasdiffusionskoeffizienten in Kartoffelgewebe. Mit Hilfe des kontinuumsmechanischen Modells kann die Deformationsantwort einer Kartoffelknolle auf verschiedene Lastkollektive nachempfunden und der zeitliche Verlauf der Verfärbung vorhergesagt werden.Darüber hinaus werden die Lastkollektive, denen Kartoffelknollen in der Ernteprozesskette ausgesetzt sind, mittels eines Diskrete Elemente Modells (DEM) identifiziert. Die ausstehenden Herausforderungen, die in diesem Zusammenhang addressiert werden, beziehen sich auf die Ableitung von Kontaktkraft-Überlappungsbeziehungen und die Bestimmung einer repräsentativen Knollenform. Auf der Oberfläche einer Knolle werden einwirkende Kräfte zu Lastkollektiven zusammengefasst.Die Kombination dieser beiden mechanischen Modelle stellt einen neuartigen, prädiktiven Ansatz zur Quantifizierung der Menge an Kartoffelknollen, die in einer Erntestufe beschädigt werden, dar. Insbesondere ist es möglich, die zeitliche Entwicklung der Schwarzfleckigkeit vorherzusagen. Sowohl das kontinuumsmechanische Modell als auch das DEM werden in einer Serie von Testfällen zunehmender Komplexität validiert.
Angesichts der sich verschärfenden globalen Klimakrise besteht dringender Handlungsbedarf die Ursachen des Klimawandels zu bekämpfen und zu mindern. Da die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) wesentlich zur globalen Erderwärmung beitragen, müssen sich alle Anstrengungen auf deren Vermeidung und Verminderung konzentrieren. Außerdem könnte die zusätzliche Bindung von Kohlenstoff (C) in Böden und Baumbiomasse/Holz ein wirksames Instrument für den Klimaschutz sein. Deutschland ist bestrebt, durch verschiedene Minderungsmaßnahmen bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Es gibt bereits belastbare Hinweise, dass Agroforstsysteme (AFS) die N2O- und/oder CO2-Emissionen reduzieren und so den Carbonfootprint verringern können. Dies ist vor allem auf die Erhöhung der unter- und oberirdische Biomasse durch Anpflanzung von Gehölzen und Gehölzen und der dazugehörigen Vegetation zurückzuführen ist. Darüber hinaus werden die THG-Emissionen stark von den mikroklimatischen Bedingungen und dem Wasser- und Nährstoffkreislauf beeinflusst. AFS zeichnen sich insbesondere durch ein hohes Maß an kleinräumiger Heterogenität aus. Bislang gibt es jedoch keine systematischen Erkenntnisse über das quantitative THG-Reduktions- und C-Sequestrierungspotenzial von AFS und über deren räumlich-zeitliche Variabilität. Dies ist teilweise auf methodische Beschränkungen zurückzuführen, wenn es um umfassende Analysen des gesamten Systems geht, einschließlich der Kulturpflanzen- und Baumreihen. Daher konzentriert sich dieses Projekt auf umfassende Messungen der räumlich-zeitlichen Muster der THG-Emissionen und der C-Dynamik in AFS, um die zugrundeliegenden Prozesse und Treiber besser zu verstehen und zu ermitteln, wie AFS wirksam zur Verringerung der THG-Emissionen beitragen und möglicherweise die C-Sequestrierung in der gemäßigten Klimazone verbessern können. Die angewandten Messtechniken beinhalten: i) mikrometeorologische Sensornetzwerke, (ii) halbautomatische geschlossene Kammersysteme zur Bestimmung der tageszeitlichen CO2-, CH4-, N2O- und ET-Flüsse (enge Verknüpfung von SP1 und 2), iii) Isotopenansätze und iv) Methoden zur Bestimmung des Netto-Ökosystem-Kohlenstoffbudgets und Bodenkohlenstoff-Stabilisierungsmechanismen. Die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Parametern, die sich auf THG-Emissionen, Kohlenstoffdynamik und die Integration von Bäumen beziehen, werden untersucht, um Modellparameter für Upscaling und Szenarioanalysen abzuleiten. Um diese Ziele zu erreichen, werden im Projekt folgende Arbeitspakete behandelt: WP1) Einfluss von AFS auf die räumlich-zeitliche Dynamik der THG-Flüsse, WP2) Einfluss von AFS auf das C-Sequestrierungspotenzial und WP3) Interaktion von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreisläufen in AFS. Die Arbeiten finden an zwei verschiedenen Standorten (in Hessen, Gladbacherhof und in Brandenburg, Großmutz) statt, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse unter verschiedenen pedoklimatischen Bedingungen zu bewerten und zu validieren.
Durch die Deposition von Luftschadstoffen und die damit verbundenen Vorgaenge wird die Vitalitaet der Waldbestaende erheblich herabgesetzt. Die Versuche fuer die Entwicklung und Erprobung spezieller Boden- und Pflanzenhilfsstoffe sollen dazu beitragen, die Widerstandsfaehigkeit zu erhalten und die Vitalitaet der Bestaende zu steigern.
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