2013 research outputs found
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Investor beliefs and their impact on financial markets
Get PDFThe idea of this thesis is to use new data sources to approximate investor beliefs. It investigates whether the approximation improves the measurement of return and volatility in existing model frameworks. The findings are that differences in implied volatility, Google Search volume and Twitter Volume can be proxy variables for investor beliefs. They have an impact on financial market indicators and on the prediction of future market movements.
Comparison of the trading behaviour of individual and institutional investors to predict market movements
The first approach is to create a new sentiment index which compares the difference between retail investor behaviour at the Stuttgart Stock Exchange (SSE) and professional investors at the Frankfurt Stock Exchange (FSE). The measure is a comparison between the implied volatility measures for the DAX at the FSE (VDAX and VDAX-NEW) and a newly created implied volatility index (VSSE) for the SSE.
The sentiment index is significant in predicting the daily returns on a size-based long-short portfolio over a four-year period. The analysis shows the persistent inconsistence between prices of structured products for retail investors on the SSE and option prices of professional investors on the FSE. The results provide empirical evidence that there are significant persistent behavioural differences between the two investor types which is reflected in persistent mispricing.
Measurability of investor beliefs and their impact on financial markets
The second approach is to measure individual investor beliefs with Google search volume (GSV) and Twitter volume (TV) to analyse their impact on financial markets. The basis is a daily panel of 29 Dow Jones Industrial average index (DJIA) stocks over a time period of 3.5 years in a panel data set-up.
The impact on trading activity measured by turnover, is positive for GSV and TV on the same day and the next day which indicates their predictive power. The impact on realized volatility (RV), indicating the share of noise traders on the market, is only positive and significant for TV. It is significant on the same day and the next day. The impact of GSV is not significant.
The results support the idea that GSV and TV capture the beliefs of individual investors. Although they suggest that the impact of TV on financial markets is more important than the impact of GSV.
Predictive power of Google and Twitter
The third approach is to use GSV and TV as a proxy for investor attention and investor sentiment, to assess their predictive power on the RV of the DJIA. The basis is a time-series set-up with a vector autoregression (VAR) model over a period of 2.5 years.
The findings show that GSV and TV granger cause RV, controlling for macroeconomic and financial factors. Again, the effect of TV on RV is more important than the effect of GSV. In-sample, the linear prediction model with GSV and TV outperforms a standard AR (1) process. Out-of-sample the AR (1) process outperforms the standard model with GSV and TV.
Clustering for high and low volatility groups, the analysis shows that the effect of GSV and TV on RV changes. Especially in times of high and low RV, GSV and TV seem to contain new information, as they improve the model fit compared to a standard AR (1) process. However, the results are not persistent in- and out-of-sample. This underlines that the results of GSV and TV are not generally persistent but depend on the selected criteria.
Overall, the results of this thesis show that investor beliefs have an impact on financial markets. The measures, such as a sentiment index based on implied volatility, GSV and TV are proxy variables for investor beliefs. Future research should further improve the comprehension of investor beliefs to improve causality and economic significance in the long term.Die Idee dieser Arbeit ist es neue Datenquellen zu nutzen, um die Erwartungen der Anleger zu approximieren. Es wird untersucht, ob die Approximierung die Messung von Rendite und Volatilität in verbessern. Die Ergebnisse sind, dass Unterschiede in der impliziten Volatilität, Google Suchvolumen Twitter Volumen Proxy-Variablen für Anlegerüberzeugungen sein können. Sie wirken sich auf Finanzmarktindikatoren und auf die Vorhersage künftiger Marktbewegungen aus.
Vergleich des Handelsverhaltens von individuellen und institutionellen Anlegern zur Vorhersage von Marktbewegungen
Der erste Ansatz besteht darin, einen neuen Sentiment-Index zu erstellen, der den Unterschied zwischen dem Verhalten von Privatanlegern an der Stuttgarter Börse (SSE) und professionellen Anlegern an der Frankfurter Börse (FSE) vergleicht. Das Maß ist ein Vergleich zwischen den impliziten Volatilitätsmaßen für den DAX an der FSE (VDAX und VDAX-NEW) und einem neu geschaffenen impliziten Volatilitätsindex (VSSE) für die SSE.
Der Sentiment-Index ist signifikant für die Vorhersage der täglichen Renditen eines größenbasierten Long-Short-Portfolios über einen Zeitraum von vier Jahren. Die Analyse zeigt die anhaltende Inkonsistenz zwischen den Preisen strukturierter Produkte für Kleinanleger an der SSE und den Optionspreisen für professionelle Anleger an der FSE. Die Ergebnisse liefern empirische Belege dafür, dass es signifikante und anhaltende Verhaltensunterschiede zwischen den beiden Anlegertypen gibt, die sich in anhaltenden Fehlbewertungen niederschlagen.
Messbarkeit der Anlegererwartungen und ihre Auswirkungen auf die Finanzmärkte
Der zweite Ansatz besteht darin, individuelle Anlegeerwartungen anhand des Google-Suchvolumens (GSV) und des Twitter-Volumens (TV) zu messen, um ihre Auswirkungen auf die Finanzmärkte zu analysieren. Die Basis ist ein tägliches Panel von 29 Aktien des Dow Jones Industrial Average Index (DJIA) über einen Zeitraum von 3,5 Jahren in einem Paneldaten-Setup.
Die Auswirkungen auf die Handelsaktivität, gemessen am Umsatz, sind für GSV und TV am gleichen Tag und am nächsten Tag positiv, was auf ihre Vorhersagekraft hinweist. Die Auswirkung auf die realisierte Volatilität (RV), die den Anteil der "noise traders" auf dem Markt angibt, ist nur für TV positiv und signifikant. Er ist am gleichen Tag und am nächsten Tag signifikant. Der Einfluss von GSV ist nicht signifikant.
Die Ergebnisse stützen die Idee, dass GSV und TV die Überzeugungen der einzelnen Anleger erfassen. Allerdings deuten sie darauf hin, dass der Einfluss von TV auf die Finanzmärkte wichtiger ist als der Einfluss von GSV.
Vorhersagekraft von Google und Twitter
Der dritte Ansatz besteht darin, GSV und TV als Stellvertreter für die Aufmerksamkeit der Anleger und das Anleger-Sentiment (Anlegerstimmung) zu verwenden, um ihre Vorhersagekraft für die realisierte Volatilität (RV) des DJIA zu bewerten. Grundlage ist ein Zeitreihenaufbau mit einem Vektor-Autoregressionsmodell (VAR) über einen Zeitraum von 2,5 Jahren.
Die Ergebnisse zeigen, dass GSV und TV unter Kontrolle makroökonomischer und finanzieller Faktoren einen Granger-Effekt auf die RV haben. Auch hier ist die Auswirkung von TV auf den RV wichtiger als die Auswirkung von GSV. In der Stichprobe übertrifft das lineare Vorhersagemodell mit GSV und TV einen Standard-AR(1)-Prozess. Außerhalb der Stichprobe übertrifft der AR(1)-Prozess das Standardmodell mit GSV und TV.
Die Analyse zeigt, dass sich die Wirkung von GSV und TV auf die RV verändert, wenn man die Gruppen mit hoher und niedriger Volatilität zusammenfasst. Insbesondere in Zeiten hoher und niedriger RV scheinen GSV und TV neue Informationen zu enthalten, da sie die Vorhersagemodelle im Vergleich zu einem Standard-AR(1)-Prozess besser abschneiden. Allerdings sind die Ergebnisse innerhalb und außerhalb der Stichprobe nicht beständig. Dies unterstreicht, dass die Ergebnisse von GSV und TV nicht allgemein beständig sind, sondern von den gewählten Kriterien abhängen.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Erwartungen der Anleger einen Einfluss auf die Finanzmärkte haben. Die Messgrößen, wie ein auf der impliziten Volatilität basierender Stimmungsindex, GSV und TV, sind Proxy-Variablen für die Überzeugungen der Anleger. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten das Verständnis der Anlegerüberzeugungen weiter verbessern, um die Kausalität und die wirtschaftliche Bedeutung auf lange Sicht zu erhöhen
Mid-infrared spectroscopy and enzyme activity temperature sensitivities as experimental proxies to reduce parameter uncertainty of soil carbon models
Get PDFModels that simulate the dynamics of soil organic carbon (SOC) are crucial to understand the global carbon cycle, but current generation models are subject to major uncertainties due to two model shortcomings. Firstly, their different carbon pools are not connected to measurable SOC fractions. Secondly, there is uncertainty about the response of the different carbon pools to an increasing temperature. The aim of this thesis was thus to link the SOC model pools of the Daisy model to measurable proxies for SOC quality and pool specific temperature sensitivity. In the first study, the drying temperature for soil samples assessed by diffuse reflectance mid infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) was optimized to assure optimal representativeness of aliphatic and aromatic-carboxylate absorption bands as proxies for fast- and slow-cycling SOC pools. Their ratio was termed the DRIFTS stability index (DSI). In the second study, the DSI was used to distinguish fast- and slow-cycling SOC model pools at model initialization. In the third study, model initialization using DSI was performed to infer pool specific temperature sensitivities for the different Daisy carbon pools. Furthermore, it was tested whether the measured temperature sensitivities of different extracellular soil enzymes could be used as proxies for pool specific temperature sensitivity.
Using a global collection of soil samples revealed that the absorption of all studied DRIFTS absorption bands increased significantly (p < 0.0001) with increasing drying temperature from 32°C to 105°C. This effect was disproportionally strong for the aliphatic absorption band. Due to the strong interference of the residual soil sample moisture content with the aliphatic absorption band, drying at 105°C and storage in a desiccator prior to measurement would be necessary for representative spectra for model pool initialization.
In the following, a combination of medium to long-term bare fallow experiments was used, to test the utility of the DSI for SOC pool initialization. Pool partitioning by the DSI was superior to using a fixed pool partitioning under the assumption that SOC was at steady state. The DSI contained robust information on SOC quality across sites. Therefore, in the majority of cases, the application of the DSI led to significantly lower model errors than the steady state assumption. Furthermore, the application of the DSI in Bayesian calibration led to a reduced parameter uncertainty for the turnover of the slow-cycling SOC pool and the humification efficiency. The 95% credibility interval of the slow-cycling SOM pools half-life between 278 and 1095 years suggested faster SOC turnover than earlier studies.
The DSI used for SOC model pool initialization was then combined with the lignin-to-nitrogen ratio for litter pool initialization to infer pool specific temperature sensitivities. The simulations of five field studies and laboratory incubations with fallow soil and crop-litter inputs were combined. Based on a clear pool definition, pool specific temperature sensitivities could be inferred by Bayesian calibration. However, differences in temperature sensitivities of the same pools between experiments suggested that carbon stability was not the main driver of temperature sensitivities. Instead, the main difference was found between the laboratory incubations (higher Q10 values up to 3) and the field (lower Q10 values centered around 2). In a second approach, the measured Q10 value of phenoloxidase (1.35) was used as Q10 value of the temperature function of both SOM pools and the slow crop-litter pool while ß glucosidase (1.82) was used for the fast crop litter pool. This improved field simulations by 3 to 10% compared to assuming a standard Q10 of 2 for all pools. Thus, site specific Q10 of different soil enzymes showed potential as proxy for site and pool specific temperature sensitivities. Important state variables that explain the observed Q10 value differences between experiments were identified as physical protection of SOC, substrate availability and environmental stress for microorganisms due to fluctuating state variables in the field.
In conclusion, the usefulness of the DSI as an indicator of SOC stability and proxy for pool initialization was demonstrated for several soils in central Europe. In addition, it was shown that pool partitioning proxies can help to infer pool specific temperature sensitivity by Bayesian calibration. However, temperature sensitivity was not mainly a function of carbon stability.Modelle, welche die Flüsse des organischen Bodenkohlenstoffes (OBK) simulieren, sind zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs entscheidend. Modelle der heutigen Generation haben wegen zwei Hauptschwächen große Unsicherheiten. Zum einen sind die unterschiedlichen Kohlenstoffpools nicht mit messbaren OBK Fraktionen verknüpft. Zum anderen besteht Unsicherheit darüber, wie die verschiedenen Kohlenstoffpools auf steigende Temperaturen reagieren. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die OBK Pools des Daisy Modelles mit messbaren Proxies für Kohlenstoffqualität und poolspezifischen Temperatursensitivitäten zu verknüpfen. In der ersten Studie wurde die Vorbehandlung von Bodenproben zur Messung mit diffuser Reflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (DRIFTS) optimiert. Die Trocknungstemperatur der Vorbehandlung wurde angepasst, um die Repräsentativität von aliphatischen sowie aromatisch-carboxylischen Absorptionsbändern zu verbessern. Diese Bänder wurden respektive als Proxies für sich schnell und langsam umsetzende OBK Pools, verwendet. Ihr Verhältnis wurde als DRIFTS Stabilitätsindex (DSI) bezeichnet. In der zweiten Studie wurde der DSI genutzt, um sich schnell und langsam umsetzende OBK Modellpools bei der Modellinitialisierung zu unterteilen. In der dritten Studie wurde die entwickelte Modellinitialisierung mittels des DSI eingesetzt, um poolspezifische Temperatursensitivitäten für unterschiedliche Daisy Kohlenstoffpools abzuleiten. Zusätzlich wurden gemessene Temperatursensitivitäten unterschiedlicher extrazellulärer Bodenenzyme als Proxies für poolspezifische Temperatursensitivitäten getestet.
Unter Verwendung einer globalen Sammlung von Bodenproben wurde festgestellt, dass die Absorption der untersuchten DRIFTS Absorptionsbänder mit der Trocknungstemperatur zwischen 32°C und 105°C signifikant zunahm (p < 0.0001). Wegen starker Interferenz der Restfeuchte von Bodenproben mit dem aliphatischen Absorptionsband ist daher die Trocknung bei 105°C und die Aufbewahrung im Exsikkator notwendig, um repräsentative Spektren für die Modellinitialisierung zu messen.
Im Folgenden wurde eine Kombination aus Mittel- bis Langzeitversuchen mit Bodenbrache verwendet, um den DSI für die OBK Poolinitialisierung zu testen. Der DSI war einer fixen Poolaufteilung, unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes des OBK, überlegen. Der DSI enthielt über mehrere Standorte hinweg belastbare Informationen zur OBK Qualität und seine Anwendung führte in der Mehrzahl der Fälle zu einem signifikant niedrigeren Modellfehler als die Annahme eines Gleichgewichtszustandes der OBK. In der Bayesschen Kalibrierung führte der DSI zu einer reduzierten Parameterunsicherheit für die Umsatzrate des sich langsam umsetzenden OBK Pools sowie der Humifizierungseffizienz. Das 95% Glaubwürdigkeitsintervall der Halbwertszeit des sich langsam umsetzenden OBK Pools betrug 278 bis 1095 Jahre.
Im Anschluss daran wurde die Verwendung des DSI für OBK Poolinitialisierung mit der Verwendung des Lignin-zu-Stickstoff Verhältnisses für die Poolinitialisierung der Pflanzenstreu-Pools kombiniert, um nachfolgend Pool spezifische Temperatursensitivitäten abzuleiten. Es wurden fünf Versuche, bestehend aus Feldstudien und Laborinkubationen mit Brachflächen sowie Streueinarbeitung, kombiniert. Dabei konnten poolspezifische Temperatursensitivitäten durch Bayessche Kalibrierung abgeleitet werden. Wegen unterschiedlicher Temperatursensitivitäten derselben Pools in verschiedenen Experimenten war die Kohlenstoffstabilität jedoch nicht die Hauptursache der beobachteten Temperatursensitivitäten. Der Hauptunterschied bestand zwischen Laborinkubationen (höhere Q10 Werte bis zu 3) und Feldversuchen (niedrigere Q10 Werte um 2). In einem zweiten Ansatz wurden gemessene Q10 Werte der Phenoloxidase (1.35) als Q10 Wert der der beiden OBK-Pools und des langsamen Pflanzenstreu-Pools, und ß-Glucosidase (1.82) für den schnellen Pflanzenstreu-Pool verwendet. Dies verbesserte die Simulationen der Feldversuche um 3 bis 10% im Vergleich zum Standard-Q10 von 2 für alle Pools. Standortspezifische Q10 Werte verschiedener Bodenenzyme bewiesen somit Potenzial als Proxies für standort- und poolspezifische Temperatursensitivitäten. Als wichtige Zustandsvariablen zur Erklärung der beobachteten Q10 Wert-Unterschiede zwischen Experimenten wurden physikalischer Schutz von OBK, Substratverfügbarkeit und Umweltstress für Mikroorganismen infolge sich ständig ändernder Zustandsvariablen im Feld identifiziert.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit der Mehrwert des DSI als Indikator der OBK Stabilität und als Proxy für die Poolinitialisierung für eine Reihe von Böden in Mitteleuropa demonstriert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Poolpartitionierungs-Proxies helfen können, die poolspezifische Temperatursensitivität durch Bayessche Kalibrierung abzuleiten. Die Temperatursensitivität konnte jedoch nicht primär durch die Kohlenstoffstabilität erklärt werden
Crop yield and fate of nitrogen fertilizer in maize-based soil conservation systems in Western Thailand
Get PDFThe increase in food demand and land scarcity in high-potential lowland areas have forced cropping intensification with a transformation of land use from subsistence to permanent agriculture in remote hillside in Southeast Asia. This change and inappropriate land use are the prime cause of soil degradation by erosion, which have negatively affected the agricultural systems productivity and sustainability in Thailand. Therefore, vulnerable land in sloping terrain is classified as unsuitable for continuous production of arable crops unless conservation measures are introduced to stabilize the landscape. Even though conservation practices can stabilize sloping land, farmers have not been widely adopted the measures due to various constraints, such as crop area loss and crop-tree competition. To improve land use management, a two-year study (2010-2011) was conducted at the Queen Sirikit research station (13°28N, 99°16E), Ratchaburi Province, Thailand, on a hillside with a slope of around 20%. The treatments consisted of (T1) maize (Zea mays L.) mono-crop under tillage and fertilization, (T2) maize intercropped with chili (Capsicum annuum L.) under tillage and fertilization, (T3) maize intercropped with chili, application of minimum tillage plus Jack bean (Canavalia ensiformis (L.) DC) relay cropping and fertilizer application, (T4) maize intercropped with chili, application of minimum tillage with Jack bean relay cropping and fertilizer application plus perennial hedges of Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit, (T5) as T3 but without fertilization, and (T6) as T4 but without fertilization. There was an additional plot of chili sole cropping to calculate the land equivalent ratio (LER).
The first part of the study evaluated yield performance and nitrogen use efficiency (NUE) of crops using the 15N isotope technique under diverse fertilized cropping systems during the first year. Maize grain yields were lower in T2 (3.1 Mg ha-1), T3 (2.6 Mg ha-1) and T4 (3.3 Mg ha-1) than in the control (T1) (6.7 Mg ha-1). The total returns from maize and chili yields were 1,914, 5,129, 3,829, 3,900, 3,494, and 2,976 USD ha-1, for T1, T2, T3, T4, T5 and T6, respectively. Higher economic returns in mixed crop systems, by selling both maize and chilies, compensated for the maize area loss by intercropping. Maize 15NUE was highest in T2 (53.5%), being significantly higher than in T1 (47.0%), T3 (45.5%), and T4 (45.7%). Overall systems NUE in T2 (56.8%) was comparable to T1 (53.8%) and T4 (54.5%) but significantly lower in T3 (48.6%). Minimum tillage and hedgerows (despite their positive filter effect) did not increase NUE but adversely affected maize growth during the establishment phase.
The second part of the study examined nitrogen fertilizers fate and quantified partial nitrogen budgets at plot level over two cropping seasons for various maize-based cropping systems with or without fertilizer application. Overall plant uptake of fertilizer 15N applied to maize was 48.6-56.8% over the first season, while residual fertilizer 15N recovery of plants was only 2.3-4.9% over the subsequent season. The quantity of applied labelled N remaining in the soil at the end of season 1 and season 2 was 6.2-28.1% and 7.7-28.6%, respectively. Thus, 60.0-76.0% in season 1 and 12.7-31.3% in season 2 of the applied fertilizer 15N were accounted for within the plant-soil system. Consequently, 24.0-40.0% and 12.9-16.1% of labelled fertilizer N were not accounted for at the end of season 1 and season 2, respectively. The derived N balance over two years revealed severe soil N depletion under T1 (-202 kg N ha-1), T5 (-86 kg N ha-1) and T6 (-48 kg N ha-1), and a slightly negative N budget under T2 (-5 kg N ha-1). In contrast, T3 (87 kg N ha-1) and T4 (62 kg N ha-1) had positive N balances. The increase of N input via additional N fertilizer applied to chili and symbiotic N2 fixation of legumes, and the reduction of N losses by soil erosion and unaccounted fertilizer N (probably lost via leaching, volatilization and denitrification) were the main factors of the positive N balances under maize-chili intercropping systems with conservation measures and fertilization (T3 and T4). Maize yield decline under T1, T2, T5 and T6 in season 2 was related to negative N balances, while maize yield increase under T3 and T4 was related to positive N balances. However, maize-chili intercropping with fertilization had some advantage (LER > 1.0) relative to sole species cropping. Moreover, total returns from crop yields in season 2 of all maize-chili intercroppings (1,378-1,818 USD ha-1) were higher than chili sole cropping (1,321 USD ha-1), which pointed to its crucial role in decreasing production risk by reducing yield loss by pests and diseases observed in chili plants.
The third part of the study used combined data of stable isotope discrimination and electrical resistivity tomography (ERT) to improve understanding of competition at the crop-soil-hedge interface. Hedges significantly reduced maize grain yield and aboveground biomass in rows close to hedgerows. ERT revealed water depletion was stronger in T1 than in T4 and T6, confirming time domain reflectometry (TDR) and leaf area data. In T4, water depletion was higher in maize rows close to the hedge than rows distant to hedges and maize grain δ13C was significantly less negative in rows close to the hedge ( 10.33) compared to distant ones ( 10.64). Lack of N increased grain δ13C in T6 ( 9.32, p ≤ 0.001). Both methods were negatively correlated with each other (r= 0.66, p ≤ 0.001). Combining ERT with grain δ13C and %N allowed identifying that maize growth close to hedges was limited by N and not by water supply.
In conclusion, the results suggested a significant positive interaction between mineral N fertilizer, intercropping systems and soil conservation measures in maintaining or improving crop yields and N balances in Thailands hillside agriculture. Simultaneously, combining ERT imaging and 13C isotopic discrimination approaches improved the understanding of spatial-temporal competition patterns at the hedge-soil-crop interface and pointed out that competition in maize-based hedgerow systems was driven by nitrogen rather than water limitation. Therefore, sustainable agriculture might be achieved if farmers in Thailand combine soil conservation measures with appropriate and targeted N fertilizer use.Der steigende Nahrungsmittelbedarf und die Landknappheit in fruchtbaren Tieflandgebieten haben zu einer Intensivierung des Anbaus in abgelegenen Berggebieten in Südost Asien geführt. Dieser Wandel und die unangemessene Landnutzung durch annuelle Monokulturen sind die Hauptursache für die vorherrschende Bodendegradation durch Wassererosion, die sich negativ auf die Produktivität und Nachhaltigkeit des landwirtschaftlichen Systems in Thailand ausgewirkt hat. Daher wird gefährdetes Land in Hanglagen als ungeeignet für den kontinuierlichen Anbau von Ackerfrüchten eingestuft, es sei denn, es werden Erhaltungsmaßnahmen zur Stabilisierung der Landschaft eingeführt. Obwohl Naturschutzmaßnahmen die Hanglage stabilisieren können, werden sie von den Landwirten aufgrund verschiedener Einschränkungen, wie z.B. Verlust von Anbauflächen und Konkurrenz zwischen Pflanzen und Bäumen, nicht in großem Umfang angenommen. Um das Landnutzungsmanagement zu verbessern, wurde eine zweijährige Studie (2010-2011) an der Queen Sirikit Forschungsstation (13°28N, 99°16E), Provinz Ratchaburi, Thailand, an einem Hang mit einer Neigung von etwa 20 % durchgeführt. Die Behandlungen bestanden aus (T1) Mais (Zea mays L.) als Monokultur unter traditioneller Bodenbearbeitung und mineralischer Düngung, (T2) Mais mit Chili (Capsicum annuum L.) als Zwischenfrucht unter traditioneller Bodenbearbeitung und Düngung, (T3) Mais mit Chili als Zwischenfrucht, Anwendung von minimaler Bodenbearbeitung sowie Gründungung mit Jack Bean (Canavalia ensiformis (L.) DC) und mineralischer Düngung, (T4) Mais mit Chili als Zwischenfrucht, minimaler Bodenbearbeitung mit Jack Bean als Gründungung und mineralischer Düngung und zusätzlich mehrjährige Hecken aus Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit, (T5) wie T3, aber ohne mineralische Düngung, und (T6) wie T4, aber ohne mineralische Düngung. Eine zusätzliche Parzelle mit Chili-Alleinkultur diente dazu um das Landäquivalentverhältnis (LER) zu berechnen.
Der erste Teil der Studie bewertete die Ertragsleistung und die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) der Nutzpflanzen unter Verwendung der 15N-Isotopentechnik unter den verschiedenen gedüngten Anbausystemen im ersten Jahr. Die Kornerträge von Mais waren in T2 (3,1 Mg ha-1), T3 (2,6 Mg ha-1) und T4 (3,3 Mg ha-1) niedriger als in der Kontrolle (T1) (6,7 Mg ha-1). Die gesamten Einnahmen aus Mais- und Chili-Erträgen betrugen 1.914, 5.129, 3.829, 3.900, 3.494 und 2.976 USD ha-1 für T1, T2, T3, T4, T5 bzw. T6. Höhere wirtschaftliche Erträge in Mischkulturen, durch den Verkauf von Mais und Chili, kompensierten den Maisflächenverlust durch den Zwischenfruchtanbau. Die Mais-NUE war in T2 (53,5%) am höchsten und damit signifikant höher als in T1 (47,0%), T3 (45,5%) und T4 (45,7%). Die NUE des Gesamtsystems in T2 (56,8%) war vergleichbar mit T1 (53,8%) und T4 (54,5%), aber signifikant niedriger in T3 (48,6%). Minimale Bodenbearbeitung und Hecken (trotz ihrer positiven Filterwirkung) erhöhten die NUE nicht, beeinträchtigten aber das Maiswachstum während der Etablierungsphase.
Der zweite Teil der Studie untersuchte den Kreislauf von Stickstoffdünger und quantifizierte partielle Stickstoffbudgets auf Parzellenebene über zwei Anbausaisons für die untersuchten maisbasierten Anbausysteme mit oder ohne Düngerausbringung. Die Gesamtaufnahme des bei Mais ausgebrachten 15N-Düngers durch die Pflanzen betrug 48,6-56,8 % in der ersten Saison, während sie in der folgenden Saison nur 2,3-4,9 % betrug. Die Menge des ausgebrachten markierten N, die am Ende der 1. bzw. 2. Saison im Boden verblieb, betrug 6,2-28,1% bzw. 7,7-28,6%. Somit konnten 60,0-76,0 % in Saison 1 und 12,7-31,3 % in Saison 2 des ausgebrachten 15N-Düngers im System Pflanze-Boden nachverfolgt werden. Folglich wurden 24,0-40,0 % und 12,9-16,1 % des markierten N-Düngers am Ende der Saison 1 bzw. der Saison 2 nicht verbucht. Die erlangte N-Bilanz über zwei Jahre zeigte einen starken N-Entzugvom Bodenpool unter T1 (-202 kg N ha-1), T5 (-86 kg N ha-1) und T6 (-48 kg N ha-1) und ein leicht negatives N-Budget unter T2 (-5 kg N ha-1). Im Gegensatz dazu hatten T3 (87 kg N ha-1) und T4 (62 kg N ha-1) positive N-Bilanzen. Die Erhöhung des N-Eintrags durch zusätzliche N-Düngung von Chili und die symbiotische N2-Fixierung von Leguminosen sowie die Verringerung der N-Verluste durch Bodenerosion und nicht bilanzierten Dünger-N (Auswaschung, Verflüchtigung und Denitrifikation) waren die Hauptfaktoren der positiven N-Bilanzen unter Mais-Chili-Zwischenfruchtsystemen mit konservierenden Maßnahmen und Düngung (T3 und T4). Der Rückgang des Maisertrages unter T1, T2, T5 und T6 in Saison 2 war mit negativen N-Bilanzen verbunden, während der Anstieg des Maisertrages unter T3 und T4 mit positiven N-Bilanzen verbunden war. Allerdings hatte der Mais-Chili Zwischenfruchtanbau mit Düngung einen gewissen Vorteil (LER > 1,0) im Vergleich zum Anbau der alleinigen Art. Darüber hinaus waren die Gesamterträge in der Saison 2 aller Mais-Chili-Zwischenfrüchte (1.378-1.818 USD ha-1) höher als beim Chili-Alleinanbau (1.321 USD ha-1), was auf die entscheidende Rolle des Mais-Chili-Anbaus bei der Verringerung des Produktionsrisikos durch die Reduzierung von Ertragsverlusten durch Schädlinge und Krankheiten der Chili-Pflanzen hinweist.
Im dritten Teil der Studie wurden kombinierte Daten aus stabiler Kohlenstoff-Isotopendiskriminierung und elektrischer Widerstands-Tomographie (ERT) verwendet, um das Verständnis für die Konkurrenz an der Schnittstelle zwischen Kulturpflanze, Boden und Hecke zu verbessern. Hecken reduzierten signifikant den Kornertrag und die oberirdische Biomasse von Mais in Reihen nahe an Hecken. ERT Daten zeigten, dass der Wasserentzug in T1 stärker war als in T4 und T6, was die Resultate der Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) und der Blattfläche bestätigte. In T4 war der Wasserentzug in heckennahen Maisreihen höher als in heckenfernen Reihen und das δ13C Signal des Maiskorns war in heckennahen Reihen signifikant weniger negativ (10,33) als in heckenfernen (10,64). N-Mangel erhöhte das Korn δ13C in T6 (9,32, p ≤ 0,001). Beide Methoden waren negativ miteinander korreliert (r= 0,66, p ≤ 0,001). Die Kombination von ERT mit Korn δ13C sowie %N Daten ergab, dass das Maiswachstum in der Nähe von Hecken durch N und nicht durch die Wasserversorgung begrenzt wurde.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse auf eine signifikante positive Wechselwirkung zwischen mineralischem N-Dünger, Zwischenfruchtsystemen und Bodenschutzmaßnahmen bei Aufrechterhaltung oder Verbesserung von Ernteerträgen und N-Bilanzen in Thailands Bergregionen hin. Gleichzeitig verbesserte die Kombination von ERT-Bildgebung und 13C-Isotopendiskriminierung das Verständnis von räumlich-zeitlichen Konkurrenzmustern an der Schnittstelle Hecke-Boden-Kultur und wies darauf hin, dass die Konkurrenz in Mais-basierten Hecken-Systemen eher durch Stickstoff- als durch Wasser-Limitierung angetrieben wird. Daher könnte eine nachhaltige Landwirtschaft erreicht werden, wenn Landwirte in Thailand Bodenschutzmaßnahmen mit einem angemessenen und platzierten N-Düngereinsatz kombinieren
Mapping agricultural trade within the ECOWAS : structure and flow of agricultural products, barriers to trade, financing gaps and policy options. A research project in cooperation with GIZ on behalf of BMZ
No full textCette étude examine la structure et le flux du commerce agroalimentaire formel et informel au sein de la CEDEAO et évalue les barrières commerciales et les lacunes en matière dinfrastructures financières et qualitatives. Une approche mixte - méthodes qualitatives et quantitatives - est adoptée qui comprend une revue extensive de la littérature, une analyse des données statistiques disponibles sur le commerce formel et informel et les barrières commerciales, une enquête de terrain, des interviews dexperts et des ateliers. Le commerce agroalimentaire intra-CEDEAO reste à un niveau faible, la plupart des produits agroalimentaires échangés nayant pas de valeur ajoutée et étant caractérisés par une diversification inadéquate de la base dexportation. On constate une prépondérance du commerce agroalimentaire informel le long des corridors commerciaux formels et informels. Le bétail, les graines oléagineuses, les graines de coton, les noix, les fèves de cacao, les céréales, le manioc, la pêche, les fruits et les légumes sont les produits agroalimentaires les plus échangés, qui ne bénéficient daucune concession de passage ou de facilitation aux frontières malgré le caractère périssable de ces produits. Les flux commerciaux agroalimentaires dans la CEDEAO sont largement entravés par lhétérogénéité des mesures de politique commerciale dans les États membres. Cela constitue souvent une barrière au commerce et tend à augmenter les coûts commerciaux et les prix des produits de base, limitant ainsi les avantages du commerce régional pour les populations tout en rendant les pays commerçants non compétitifs. Les femmes commerçantes de produits agroalimentaires sont souvent exploitées et harcelées par les fonctionnaires des différentes frontières. De plus, le faible commerce intra-CEDEAO des produits agricoles et alimentaires est dû aux faibles capacités de production, qui sont notamment dues à linsuffisance des financements, à la mauvaise qualité des infrastructures - douces (inspecteurs formés, numérisation des procédures douanières, certification, etc.) et dures (installations de métrologie, routes, installations portuaires, laboratoires de test et dinspection, etc.) Le financement du commerce agricole a été identifié comme lun des principaux obstacles au commerce des produits agricoles dans cette sous-région. Des options politiques stratégiques pour promouvoir le commerce agroalimentaire au sein de la CEDEAO sont fournies.This study reviews the structure and flow of formal and informal agri-food trade within ECOWAS and evaluate the trade barriers, financial and quality infrastructure gaps. A mixed-method approach qualitative and quantitative methods is adopted which comprises an extensive literature review, analysis of available statistical data on formal and informal trade and trade barriers, a field survey, expert interviews and workshops. The intra-ECOWAS agri-food trade is still at the low level with most of the traded agri-food commodities largely without value addition and characterised by inadequate diversification of the export base. A preponderance of informal agri-food trade along both the formal and informal trade corridors are detected. Livestock, oilseeds, cottonseed, nuts, cocoa beans, cereal, cassava, fisheries, fruits and vegetables were the most traded agri-food commodities, which were not given any concession of passage or facilitated across the borders despite the perishability of the commodities. Agri-food trade flows in the ECOWAS are largely hampered by the heterogeneous trade policy measures across the Member states. This is often a barrier to trade and tend to increase trade costs and commodities prices, thereby constraining the regional trade benefits to the people while also making the trading countries uncompetitive. Women agri-food traders were often exploited and harassed by the different borders officials. More so, the low intra-ECOWAS trade in agricultural and food products is due to the low production capacities, which among others are due to the inadequate finance, poor quality infrastructure soft (trained inspectors, customs procedures digitalisation, certification, etc) and hard (metrology facilities, roads, ports facilities, testing and inspection laboratories, etc.). Agricultural trade finance has been identified as one of the key challenges inhibiting trade in agricultural commodities in this subregion. Strategic policy options to promote agri-food trade within ECOWAS are provide
Climate change and agricultural structural change : the relevance for machinery use and acquisition in Germany
Get PDFThis thesis is a contribution to the research project Regional Climate Change, funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG Forschergruppe 1695 Regionaler Klimawandel). The projects objective was to learn about the vulnerability and sensitivity of typical land systems in Southwest Germany and identify suitable strategies for adaptation. The doctoral work contributes with empirical and methodological insights of farmers likely management adaptations in light of the farm managerial challenges arising from climate and structural change in Germany.
The agricultural structure in Germany has strongly changed in the last 60 years. Where before numerous small-scale and labor-intensive farms were observed, it is now the place where fewer and highly mechanized farms contribute to agricultural production. The ongoing agricultural structural change in Germany is characterized by a trend in which many farms exit the agricultural sector, and the remaining --growth-oriented-- farmers take over the land, reorganize their farm business, and expand their operations. Nevertheless, this trend of farm growth, which is expected to continue in the future, poses significant challenges at the farm management level: Decisions on machinery use and acquisition play a crucial role in shaping the farm cost structure, and represent a critical element for maintaining competitiveness. Particularly for the expansion efforts, farm managers face a highly complex decision-making process to acquire the proper machinery capacities for field operations.
Moreover, an additional factor will need to be considered for adequate decision-making: Climate change developments and the uncertainties associated with this process will likely increase the complexity of the farmers decision-making regarding the best reorganizational strategies towards farms expansion. Changes in the natural conditions for crop growth and development will likely result in management adaptations, e.g., changing the timing for fieldwork operations or changing land-use patterns.
An analysis of the complex interactions and interdependencies between the environment and the farm system, on the one hand, and the resources and production possibilities available to the farm manager in the course of farm expansion on the other hand, require adequate tools of analysis. This work analyzes three dimensions of farm machinery management in the context of climate change and agricultural structural change. The first element of analysis corresponds to an examination of the sensibility of land-use and machinery investment decisions to climate change scenarios with the agent-based MPMAS model constructed for Central Swabian Jura in Southwest Germany. The Central Swabian Jura MPMAS model is a constitutive part of the bioeconomic modeling system MPMAS_XN. The MPMAS_XN system integrates the agricultural economic agent-based software MPMAS and the plant-soil modeling software Expert-N (XN) into a fully coupled system. The assessment of the sensibility and responsiveness of the MPMAS component revealed complex adaptation responses of land-use and machinery investment decisions as a result of shifted timing in fieldwork operations (e.g., harvesting or fertilization tasks).
The second element of analysis corresponds to an examination of economies of size arising from farm machinery use and acquisition decisions in arable farms that follow a typical crop rotation practiced in Germany. For the analysis, a whole-farm multiperiod mathematical program implemented in the agent-based software MPMAS was employed. Optimizations were run and evaluated at a broad range of farm sizes and two distinctive distributions of availability of fieldwork days estimated for Southwest Germany. The results allowed observing patterns of optimal farm machinery demand and cost curves for several evaluated farm sizes and distributions of available fieldwork days distributions.
The third main element of this work corresponds to a methodological contribution to the MPMAS_XN model system. Within this element, the implementation, functioning, and potential of an external theory-based MPMAS module are presented. The external module represents dynamics for joint machinery investments among simulated farm agents and serves as an enhancing methodological contribution for analyzing and representing farm machinery management in the agent-based software MPMAS.Diese Arbeit ist ein Beitrag zum von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt Regionaler Klimawandel, dessen Ziel es war die Verwundbarkeit und Sensitivität typischer Landsysteme in Südwestdeutschland zu untersuchen und geeignete Anpassungsstrategien zu identifizieren. Diese Doktorarbeit liefert empirische und methodische Erkenntnisse über die wahrscheinlichen Managementanpassungen der Landwirte und Landwirtinnen angesichts der Herausforderungen der Betriebsführung, die sich aus dem Klima- und Strukturwandel in Deutschland ergeben.
Die Agrarstruktur in Deutschland hat sich in den letzten 60 Jahren stark verändert. Wo früher zahlreiche kleine und arbeitsintensive Betriebe beobachtet wurden, tragen heute weniger, dafür aber hochmechanisierte Betriebe zur landwirtschaftlichen Produktion bei. Dieser anhaltende landwirtschaftliche Strukturwandel in Deutschland kennzeichnet sich dadurch, dass viele Betriebe den Agrarsektor verlassen und die verbleibenden, wachstumsorientierten Landwirte und Landwirtinnen die Produktion übernehmen, ihre Betriebe neu organisieren und ihre Tätigkeiten ausweiten. Dieser Wachstumstrend, der sich voraussichtlich in Zukunft fortsetzen wird,hat erhebliche Herausforderungen auf der Ebene des Betriebsmanagements zur Folge: Entscheidungen über den Einsatz und die Anschaffung von Maschinen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Betriebskostenstruktur und sind daher ein zentrales Element für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Insbesondere bei den Expansionsbemühungen stehen die BetriebsleiterInnen vor einem hochkomplexen Entscheidungsprozess, um die passenden Maschinenkapazitäten für den Feldeinsatz zu erwerben.
Neben dem Erwerb und der optimalen Nutzung von Maschinen muss ein zusätzlicher Faktor für eine angemessene Entscheidungsfindung berücksichtigt werden: Die Entwicklung des Klimawandels und die mit diesem Prozess einhergehenden Unsicherheiten werden die Komplexität der Entscheidungsfindung hinsichtlich der besten Umstrukturierungsstrategien für die Expansion der landwirtschaftlichen Betriebe vermutlich weiter erhöhen. Dadurch entstehenden Änderungen der natürlichen Bedingungen für Pflanzenwachstum und -entwicklung wird wahrscheinlich mit Anpassungen des Managements begegnet, z.B. durch Verschiebung derFeldarbeitszeitpunkte oder durch Veränderung der Landnutzungsmuster.
Eine Analyse der geschilderten komplexen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten, einerseits zwischen Umwelt und landwirtschaftlichen Systemen, andererseits zwischen Ressourcen und Produktionsmöglichkeiten, die den Verantwortlichen zur Betriebserweiterung zur Verfügung stehen, erfordert geeignete Analysewerkzeuge. Diese Arbeit analysiert drei Dimensionen des Landmaschinenmanagements im Kontext des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Strukturwandels. Im ersten Analyseelement wird die Sensibilität von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen in Bezug auf verschiedene Klimawandelszenarien untersucht. Diese Analyse wird mit dem agentenbasierten MPMAS Modell durchgeführt, das für die mittlere Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland erstellt wurde. Das MPMAS- Modell ist ein wesentlicher Bestandteil des bioökonomischen Modellierungssystems MPMAS_XN. Das MPMAS_XN Modellierungssystem integriert die agrarökonomische, agentenbasierte MPMAS Software und die Pflanzen-Boden-Modellierungssoftware Expert-N (XN) in ein vollständig gekoppeltes System. Die Bewertung der Sensibilität und Reaktionsfähigkeit der MPMAS Komponente zeigt komplexe Anpassungsreaktionen von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen als Ergebnis eines verschobenen Zeitplans bei Feldarbeiten (z. B. Ernte- oder Düngungsaufgaben).
Im zweiten Schritt befasst sich die vorliegende Arbeit mit einer Untersuchung der Skaleneffekte, die sich aus den Kaufentscheidungen und dem Einsatz von Landmaschinen in Ackerbetrieben ergeben, in denen eine für Deutschland übliche Fruchtfolge angebaut wird. Für die Analyse wird ein in der agentenbasierten Software MPMAS implementiertes mathematisches Mehrperiodenprogramm für den gesamten landwirtschaftlichen Betrieb verwendet. Optimierungen werden in einem breiten Spektrum von Betriebsgrößen und zwei unterschiedlichen Verteilungen der Verfügbarkeit von Feldarbeitstagen, die für Südwestdeutschland geschätzt werden, durchgeführt und bewertet. Die Ergebnisse ermöglichen die Beobachtung von Mustern der optimalen Nachfrage nach landwirtschaftlichen Maschinen sowie der Kostenkurven für die betrachteten Betriebsgrößen und Verteilungen der verfügbaren Feldarbeitstage.
Der dritte Hauptteil dieser Arbeit stellt einen methodischen Beitrag zum MPMAS_XN Modellsystem dar. In diesem Element werden die Implementierung, Funktionsweise und das Potenzial eines externen und theoretisch aufgebauten MPMAS-Moduls vorgestellt. Dieses externe Modul repräsentiert die Dynamik, die sich aus gemeinsamen Maschineninvestitionen zwischen simulierten Computer-Agenten ergibt und dient als verbesserter methodischer Beitrag zur Analyse und Darstellung des Landmaschinenmanagements in der Agentenbasierte Software MPMAS
Reconciling indigenous and scientific ecosystem and soil fertility indicators in swidden systems of Northern Thailand
Get PDFCrop rotations in todays swidden systems of Northern Thailand typically include five to ten years of fallow. Regarding ecosystem functions, these systems are relatively close to secondary forests when compared to modern agricultural systems; but they are under pressure for intensification, i.e. shortened fallow periods. In general, criteria are needed to decide whether fallow duration can be reduced, safeguarding ecosystem restoration and provision of food and income for farmers. Acknowledging that a comprehensive assessment would cover multiple aspects, our study focuses on the role of fallow duration on tree community succession and use abundances of tree species considered as soil fertility indicators.
We studied recovery indicators of tree communities at two potential broad-leaved forest climax sites that differ in soils, forest type and agricultural intensification: An intensive system of one-year upland rice, then one- to two-year maize cultivation with synthetic inputs followed by six years fallow; and an extensive system with one-year upland rice cultivation without agrochemicals and ten years fallow. In a case study village of extensive site, we investigated in how far abundance of indicator tree species corresponded to measured soil fertility parameters and whether an extended list of indicator species could improve prediction of these soil properties. Contrasting systems were chosen to test the applicability of our indicators, not to compare their management practices. From 2010 to 2011, eight variables related to stand structure and tree diversity and four soil properties were either monitored or surveyed in chronosequence plots representing different fallow ages. For each variable, means per fallow year were compared by least squares means (LS-means), and quadratic regressions from mixed models were fitted. Significant differences between LS-means and optima of regressions served to distinguish fallow stages and served as indicators of recovery and system stability. Stepwise multiple regressions confirmed fallow age as main determinant for most variables. Tree species indicator also identify by the component of multiple linear regressions function of each interested soil properties.
Numbers of tree species and diversity index recovered to levels of the previous rotation within the respective fallow time, but in both systems were far from climax communities, probably due to seed-bank depletion and shift toward resprouting species. While species dominance changed over time in the extensive system, the intensive system was dominated by a single species.
In the extensive system only tree density passed a peak during the fallow period, while biomass-related variables approached plateaus. In combination with the replacement of early fallow species, this points to the onset of competition and transition between successional stages. For the intensive system, no structural variable passed a maximum. With only one of eight indicators on the extensive site fulfilling the statistical criterion of passing a peak during the prevailing fallow time, reducing fallow periods is not recommended for our cases. Generally, combining LS-means and quadratic regression allowed assessing fallow duration based on distinct successional stages at different sites. The approach should include various relevant site-specific indicators, in our case representing biomass and carbon storage, species and structural diversity, considered crucial for both sites.
From interview on the extensive site, farmers listed 11 tree species that relate to certain soil quality related properties. They named indicators of good soils for cropping, inappropriate soils for upland rice cropping and hard soils. Botanical tree inventories on 135 plots of one to ten years fallow age were conducted. Abundances of farmers indicator on one hand as well as inventory species on the other were introduced into different regression models to predict soil fertility parameters measured on the same plots. Both models were then compared regarding predictive power.
Measured fertility parameters such as soil organic matter (SOM), pH, plant available phosphorus (Pav) - related to farmers criteria good soil or inappropriate for rice cropping - as well as bulk density (BD, for hard soil), changed significantly during the fallow period, initially towards temporary pessima in years 6 to 7 followed by recovery towards year ten. Most indicator species, like Macaranga denticulata for Pav or Dalbergia cultrata for SOM, were clearly related to the soil quality characteristics attributed to them by farmers. Only in one case a species used as farmer indicator for hard soils was selected by multiple regression as predictor for high Pav. Including all tree species found during inventories into multiple regressions significantly improved predictions of measured soil parameters by AIC > |2|. Ten additional species from the survey model had potential to improve the farmer indicator model.
Relative density, i.e. abundance of indicator tree species over abundance of all species, did not always match soil properties dynamics, so that the use of the regressions appears more informative for cropping decisions. Our approach to relate indicator species and measured soil parameters is not site-specific, but parameters are. Applicability of the approach could be extended if further farmer criteria such as weed suppression, represented by tree structure parameters as predictors of adequate fallow age, would complement soil fertility indicators.
Based on the development of the multiple indicators of recovery of ecosystem services and soil fertility, it is not recommended to reduce fallow age at the two investigated study sites.In typischen swidden cultivation Systemen in Nordthailand, das sind zumeist reis- oder maisbasierte Brandrodungswanderfeldbau-Systeme, folgen auf ein bis zwei Anbaujahre fünf bis zehn Jahre Brache. Hinsichtlich ihrer Ökosystemfunktionen sind swidden Systeme natürlichen Sekundärwäldern deutlich näher als moderne Landbausysteme. Andererseits geraten diese Systeme zunehmend unter Druck die Brachezeiten zu verkürzen. Daher besteht ein Bedarf an Beurteilungskriterien, ob auch Systeme mit verkürzten Brachen die Regeneration der Flächen zwischen den Anbauzyklen und langfristig die Ernährungs- und Einkommenssicherung der Landwirte gewährleisten können.
Diese Studie beschränkte sich auf die Auswirkungen verkürzter Brachezeiten auf Baumartenzusammensetzung und Habitus sowie die Rolle von Baumarten als Indikatoren von Bodenfruchtbarkeitsparametern, auch wenn für eine umfassende Bewertung verkürzter Brachezeiten eine Vielzahl weiterer Kriterien mitberücksichtigt werden müssen.
Zwei Laubwald-Klimax-Standorte wurden ausgewählt, die sich hinsichtlich Bodentypen, Waldtyp und Intensivierungsgrad der Anbausysteme unterschieden: Zum einen eine intensivierte Fruchtfolge von einem Jahr Reis-, gefolgt von ein bis zwei Jahren Maisanbau und sechs Jahren Brache; in diesem System am Standort Bor Krai kamen synthetische Dünger und Biozide zum Einsatz. Andererseits ein extensives System in Nong Khao mit einem Jahr Reisanbau und nachfolgend zehn Jahren Brache; hier werden traditionell keine Agrochemikalien eingesetzt. Die unterschiedlichen Standorte wurden dabei gewählt um die generische Anwendbarkeit der Indikatoren zu testen, nicht um die Anbausysteme zu vergleichen. An letzterem Standort wurde zudem untersucht inwieweit Abundanzen von Zeigerarten (ausschließlich Bäume) mit gemessenen Bodenparametern übereinstimmten und ob eine erweiterte Artenliste die Vorhersage von Bodenparametern (als Entscheidungsgrundlage für erneuten Reisanbau) verbessern kann. Ein Hybridansatz aus Monitoring der selben Flächen 2010 und 2011 sowie falschen Zeitreihen wurde verwendet, um in unterschiedlich langen Brachezeiten acht Parameter zu Baumhabitus und arten sowie vier Bodenparameter zu messen. Mittelwerte der Pflanzenparameter (über jeweils drei Hänge x drei Hangpositionen) je Brachejahr wurden mittels LS means Statistik (kleinste quadratische Abweichungen) verglichen. Zudem wurden Verläufe der jeweiligen Parameter über die Brachedauer mittels quadratischer Gleichungen modelliert. Statistisch signifikante Unterschiede der Mittelwerte zwischen den Jahren sowie die Optima der Regressionen dienten der Unterscheidung von Brachestadien und als Indikatoren für Rehabilitation und Stabilität der Systeme. Stepwise multiple regressions zeigten, dass die Brachedauer maßgeblichen Einfluss auf die meisten Pflanzenparameter hatte. Multiple Regressionen wurden ebenso angewendet um die relative statistische Aussagekraft der Abundanzen verschiedener Baumarten sowie topographischer Faktoren auf Bodenparameter zu beurteilen.
Artenzahl und Diversitätsindex erreichten zwar in beiden Fruchtfolgen nach Beendigung der Brache den jeweiligen Ausgangspunkt, jedoch nicht das Niveau benachbarter Klimaxgesellschaften. Gründe hierfür könnten die starke Abnahme der Samenbank im Boden oder eine Verschiebung hin zu Arten die sich per Stockausschlag regenerieren sein. Die Dominanz in der Baumartenzusammensetzung verschob sich mit der Zeit am extensiven Standort, während die Brachevegetation am intensiv genutzten Standort durchgehend von einer Art dominiert wurde. Unter extensivem Anbau überschritt nur einer von acht Pflanzenparametern während der Brachezeit ein Maximum, Kriterium für mögliche Verkürzung der Brachezeit. Alle anderen Pflanzenparameter erreichten oder näherten sich einem Plateau. Da zugleich Pionierarten verdrängt wurden, kann einsetzende Konkurrenz und ein Übergang zwischen Sukzessionsstufen vermutet werden.
Im intensiven Anbausystem überschritt keine Variable ein Maximum. Somit kann für keinen der beiden Standorte eine Verkürzung der Brachezeit empfohlen werden. Methodisch betrachtet ermöglichte die Kombination von LS means und Regressionen die Bewertung verschiedener Brachezeiten über unterschiedliche Sukzessionsstadien und Standorte. Dieser Ansatz erfordert jedoch stets die Berücksichtigung mehrerer standortspezifischer Kriterien, in unserem Fall Biomasse und Kohlenstoffspeicherung, Arten- und strukturelle Vielfalt, welche für die beiden Standorte besonders relevant sind.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Bewertung lokaler Indikatoren (Abundanzen von Baumarten als Zeiger für Bodenfruchtbarkeitsparameter) in Zusammenhang mit gemessenen Bodenwerten. Dieser Teil bezog sich ausschließlich auf den extensiv bewirtschafteten Standort Nong Khao. Interviews mit Landwirten ergaben eine Liste von 11 Indikator-Baumarten für Bodenqualitätsparameter wie gute Eignung zum Anbau von Reis und Gemüse, ungeeignet für Reis oder verhärteter Boden. Die Daten aus den in Teil 1 beschriebenen botanischen Aufnahmen auf 135 Parzellen mit Brachedauer zwischen einem und zehn Jahren wurden als Basis auch für diesen bodenbezogenen Teil der Studie verwendet. Verschiedene statistische Regressionsmodelle zur Schätzung der Bodenfruchtbarkeitswerte, die einerseits auf den Abundanzen ausschliesslich der Indikatorarten, andererseits zusätzlich auf den Abundanzen der kompletten Artenlisten basierten, wurden dann hinsichtlich ihrer Aussagekraft verglichen. Die Messparameter organische Bodensubstanz (OBS), pH, pflanzenverfügbarer Phosphor (Pav) repräsentierten dabei die Kriterien der Landwirte für geeigneten bzw. ungeeigneten Boden zum Reis-/Gemüseanbau, und Trockenraumdichte (BD, für bulk density) stand für das Kriterium Bodenverhärtung. Diese Parameter veränderten sich während der Brachezeit signifikant, erreichten von anfänglich relativ höchsten Werten Minima in Jahr sechs und sieben, bevor eine allmähliche Verbesserung zum Ende der Brachezeit hin einsetzte. Die Mehrzahl der Indikatorarten, wie z.B. Macaranga denticulata für Pav oder Dalbergia cultrata für die OBS, waren zugleich auch klar zu den Qualitätskriterien der Bauern korreliert. Nur in einem Fall wurde ein Bauernindikator für verhärtete Böden durch die statistische Regression als P-Zeiger eingeordnet.
Die Erweiterung der Modelldatenbasis um weitere Inventurdaten verbesserte die Aussagekraft der Modelle für die verschiedenen Bodenparameter deutlich um einen AIC Wert von mindestens |2|. Zehn der zusätzlich einbezogenen Arten konnten das ursprüngliche Modell eindeutig verbessern. Im Gegensatz dazu stimmte die Betrachtung der Dynamik relativer Dichten, das heißt Abundanzen einer Art relativ zur Gesamtindividuenzahl über alle Arten, nicht immer mit der Dynamik der Bodenparameter überein. Als Entscheidungsgrundlage für den Beginn eines neuen Anbauzyklus erscheinen die Ergebnisse der Regressionsmodelle besser geeignet.
Der hier beschriebene Ansatz von Indikatorarten auf Bodeneigenschaften zu schließen kann als generisch im Sinne von standortunabhängig betrachtet werden. Dabei sollten jedoch die Bodenparameter standortspezifisch gewählt werden. Die Aufnahme weiterer Kriterien von Landwirten, wie zum Beispiel Unkrautunterdrückung (bei der Wahl der Brachezeit oft wichtiger als Bodenfruchtbarkeit) repräsentiert durch Baumhabitusparameter, könnte dabei Bodenfruchtbarkeitskriterien sinnvoll ergänzen. Dadurch würde die Relevanz der Methode in der Anwendung insgesamt erhöht.
Angesichts vielfältiger Entscheidungskriterien der Rehabilitation von Ökosystem- und Bodenfunktionen kann im konkreten Fall dieser Studie eine Verkürzung der Brachezeiten an beiden Standorten nicht empfohlen werden
Attractive enrichment material to reduce tail and ear damages in pigs
No full textSchwanzbeißen ist eine Verhaltensanomalie, die häufig bei konventionell gehaltenen Hausschweinen auftritt. Dabei kann es das Wohlergehen betroffener Schweine beeinträchtigen und ökonomische Verluste für den landwirtschaftlichen Betrieb bedeuten. Die Ursachen von Schwanzbeißen sind multifaktoriell, weshalb die bis heute gängigste Methode zur Reduktion von Schwanzschäden bei Schweinen das präventive Kupieren des Schwanzes darstellt. Neben dem invasiven Eingriff wirkt jedoch auch der Einsatz von Beschäftigungsmaterial reduzierend auf Schwanzschäden, indem das arttypische Explorationsverhalten gesteigert wird. Dabei stellt die schnelle Habituation von Schweinen eine Herausforderung bei der Auswahl geeigneter Beschäftigungsmaterialien dar.
Im Rahmen des Projekts Label-Fit wurden unterschiedliche organische Beschäftigungsmaterialien für Aufzucht- und Mastschweine untersucht, die in konventionellen Haltungssystemen mit Spaltenböden eingesetzt werden können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifikation von attraktivem Beschäftigungsmaterial anhand der Explorationsdauer der Tiere. Gleichzeitig wurde der Einfluss der eingesetzten Beschäftigungsmaterialien auf Schwanz- und Ohrschäden bei Schweinen mit unkupiertem Schwanz untersucht.
Vor der Durchführung von drei Langzeituntersuchungen wurden zwei Wahlversuche zur Eingrenzung der für Schweine attraktiven organischen Beschäftigungsmaterialien durchgeführt. Dabei wurden den Schweinen in einem Trog mit sechs Fächern unterschiedlich strukturierte Materialien oder verschiedene fressbare Zusätze in Stroh parallel angeboten. Anhand der individuell erfassten Beschäftigungsdauer zeigten Schweine Präferenzen für pelletierte Materialien und gehäckseltes Stroh mit einem fressbaren Zusatz. Diese Ergebnisse wurden zur Auswahl von Beschäftigungsmaterialien für die anschließenden Langzeituntersuchungen herangezogen.
Für die drei Langzeituntersuchungen wurden die mit Beschäftigungsmaterialien befüllten Beschäftigungstürme mit einem UHF-RFID-System ausgestattet, um die Beschäftigungsdauer der Schweine aufzuzeichnen. Beim Wechsel der alternierend angebotenen Beschäftigungsmaterialien wurden die Schwänze und Ohren der Schweine gemäß dem Deutschen Schweine Boniturschlüssel bewertet.
In der ersten Langzeituntersuchung erhielten die Schweine vier Beschäftigungsmaterialien mit unterschiedlichen Strukturen (Luzernepellets, Strohpellets, gehäckseltes Heu, gehäckseltes Stroh) im zweiwöchigen Wechsel. Dabei präferierten Aufzuchtschweine pelletierte Materialien und Mastschweine gehäckseltes Heu sowie Luzernepellets. Darüber hinaus stieg die Beschäftigungsdauer von der Aufzucht zur Mast an. Beim Einsatz der Materialien, die die höchste Beschäftigungsdauer in der Aufzucht erzielten (Luzernepellets oder Strohpellets), wurden die wenigsten Teilverluste am Schwanz erfasst. Jedoch traten beim Einsatz von Strohpellets in der Aufzucht die meisten Hautdurchbrechungen an den Schwänzen auf.
Die zweite Langzeituntersuchung befasste sich mit der Frage, ob die Beschäftigungsdauer von Schweinen beim Einsatz von gehäckseltem Stroh gesteigert werden kann, wenn Maiskörner als fressbarer Zusatz untergemischt werden. Im Vergleich zu Schweinen, die gehäckseltes Stroh ohne Mais erhielten, zeigten Schweine, denen gehäckseltes Stroh mit Mais angeboten wurde, in der Aufzucht und Mast eine höhere Beschäftigungsdauer am Beschäftigungsturm. Die Beschäftigungsdauer konnte zudem von der Aufzucht zur Mast gesteigert werden, obwohl kein Materialwechsel innerhalb der Gruppen stattfand. Erstaunlicherweise traten bei den Schweinen, die gehäckseltes Stroh ohne Mais erhielten, im Vergleich zu den Schweinen, die gehäckseltes Stroh mit Mais erhielten, geringere Teilverluste am Schwanz auf.
In der dritten Langzeituntersuchung wurden den Schweinen unterschiedlich aromatisierte Strohpellets im wöchentlichen Wechsel angeboten. Die höchste Beschäftigungsdauer wurde in der Aufzucht für Strohpellets mit Bratzwiebel- oder Mandel-Aroma erfasst. In der Mast beschäftigten sich die Schweine am längsten mit Strohpellets ohne Aroma oder mit Erdbeer-Aroma. Dabei konnte die Beschäftigungsdauer von der Aufzucht bis zur Mast konstant gehalten werden. Die meisten Hautdurchbrechungen am Schwanz traten in der Aufzucht bei der Verwendung von Vanille- oder Bratzwiebel-Aroma auf, wobei Vanille im Unterschied zu Bratzwiebel zu den Aromen mit den geringsten Beschäftigungsdauern zählte.
Anhand der vorliegenden Untersuchungen konnten klare Präferenzen von Schweinen für bestimmte organische Beschäftigungsmaterialien gezeigt werden, die arttypisches Explorationsverhalten steigerten. Jedoch konnten Beschäftigungsmaterialien, für die eine hohe Beschäftigungsdauer erfasst wurde, Schwanzschäden (Längenverluste und Hautdurchbrechungen) nicht reduzieren. Dies verdeutlicht, dass neben dem Zugang zu Beschäftigungsmaterial weitere Faktoren auf die Prävalenz für Schwanzschäden einwirken, welche zusammenhängend betrachtet werden müssen.Tail biting is a behavioural disorder that often occurs in commercially housed domestic pigs. It may affect welfare of involved pigs and cause economic losses for the farm. The causes of tail biting are multifactorial, which is why preventive tail docking is the most comon method to reduce tail damages in pigs until today. However, besides invasive interventions, the use of enrichment materials can reduce tail biting by increasing species-specific exploration behaviour. Thereby, the rapid habituation of pigs poses a challenge in the selection of enrichment materials.
Within the research project Label-Fit Schweinehaltung fit für das Tierschutzlabel, different plant-based enrichment materials for rearing and fattening pigs were investigated, which can be used in conventional housing systems with slatted floors. The aim of the present study was to identify attractive enrichment material based on the exploration duration. Furthermore, the influence of the enrichment materials on tail and ear damages was investigated in pigs with undocked tails.
Prior to three long-term investigations, two choice tests were carried out for better delimination of plant-based enrichment materials considered attractive for pigs. Therefore, pigs were offered enrichment materials of different structure or, in the second test, straw with different edible additives. In both tests materials were offered in parallel in six boxes. By means of the individually recorded exploration durations, pigs showed clear preferences for pelleted materials and preferred chopped straw with edible additives, such as maize kernels. These results were used to select enrichment materials for further long-term investigations.
In the three long-term investigations, material dispensers were equipped with an UHF-RFID system to record exploration durations of the pigs at the material dispenser filled with enrichment materials. Enrichment materials were offered in an alternating order and at each change of material the tails and ears of the pigs were recorded according to the Deutscher Schweine Bonitur Schlüssel (DSBS) regarding partial losses and skin injuries.
In the first long-term investigation, rearing and fattening pigs received four enrichment materials with different structures (lucerne pellets, straw pellets, chopped hay and chopped straw) in a two-weekly change. Rearing pigs preferred pelletized materials, while fattening pigs showed preferences for chopped hay and lucerne pellets. Furthermore, exploration duration increased from rearing to fattening. When offering the enrichment materials that achieved the highest exploration durations in rearing (lucerne pellets or straw pellets), the fewest partial losses of the tails were recorded. However, when offering straw pellets in rearing, most injuries at the tails occurred.
The second long-term investigation dealed with the question, if exploration duration of rearing and fattening pigs for chopped straw can be increased by adding maize kernels. Compared with pigs that received chopped straw without maize, pigs that received chopped straw with maize kernels showed higher exploration durations at the material dispenser during rearing and fattening. Furthermore, exploration duration could be increased from rearing to fattening, although there was no change of the material within the groups. Additionally, saisonal differences in the diurnal pattern of exploration of pigs were found. Interestingly, pigs that received chopped straw without maize kernels showed fewer length losses of the tails compared to pigs that received chopped straw with maize kernels.
In the third long-term investigation, rearing and fattening pigs received different flavoured straw pellets in a weekly change. Different preferences for flavours were found between rearing and fattening pigs. During rearing, highest exploration durations were recorded for straw pellets with fried onion flavour or almond flavour. During fattening, pigs explored straw pellets without flavour or with strawberry flavour longest. Exploration duration could be maintained at a constant level from rearing to fattening. Most skin injuries at the tails occurred when using vanilla flavour or fried onion flavour during rearing, whereby vanilla, unlike fried onion, was one of the flavours with the lowest exploration durations.
On the basis of the present investigations clear preferences of pigs for specific plant-based enrichment materials could be shown, which increased species-specific exploration behaviour. However, enrichment materials for which high exploration durations were recorded could not reduce tail damages, such as partial losses or skin injuries. This illustrates that, apart from the access to enrichment material, further factors influence the prevalence of tail damages, which have to be considered in relation to each other
Genomic analyses of behavior traits in laying hen lines divergently selected for feather pecking
Get PDFFeather pecking is a longstanding problem in commercial layer flocks. It often causes injured birds and even cannibalism. In the past, hens were beak trimmed to reduce feather pecking. Nevertheless, this procedure is already prohibited in some EU countries. Hence, a solution to this problem is urgently needed. The experimental populations analyzed in this thesis were formed by hens based on a White Leghorn layer strain which were divergently selected for high and low feather pecking since 1995. The first experimental population of this thesis was an F2 cross of about 900 hens which was established of the 10th generation of the pure selection lines. The second population consisted of about 500 hens of the 15th generation of these two lines. The aim of this thesis was to gain further knowledge of the genetic background of feather pecking and its relation to additional behavior traits and the gut microbiome.
In chapter one, a novel model to detect extreme feather pecking hens was developed. Therefore, a mixture of two negative binomial distributions was fitted to feather pecking data of the F2 cross. With the estimated parameters, the trait posterior probability of a hen to belong to the extreme feather pecking subgroup (pEFP) was calculated. The fear tests tonic immobility and emerge box were conducted at juvenile and adult age of the hens to relate fearfulness to pEFP. After dichotomization, all traits were analyzed in a multivariate threshold model and subsequent genomewide association studies (GWAS) were performed. The fit revealed that extreme feather peckers made up a proportion of about one third of the hens. The new trait pEFP has a medium heritability of 0.35 and is positively correlated with the fear traits. Breeding for this new trait could be an option to reduce the proportion of extreme feather peckers. An index of fear related traits might serve as a proxy to breed indirectly against pEFP.
In chapter two, the model to detect extreme feather pecking hens was applied to the pure selection lines. After calculation of the trait pEFP, GWAS with a subsequent post GWAS analysis were performed. Additionally, to find genomic regions influencing feather pecking, selection signatures were mapped by applying the intra-population iHS and the inter-population FST approach. Mapping of selection signatures revealed no clear regions under selection. GWAS revealed a region on chromosome one, where the existence of a quantitative trait locus (QTL) influencing feather pecking is likely. The candidate genes found in this region are a part of the GABAergic system. Despite the polygenic nature of feather pecking, selection on these candidate genes may reduce the extreme occurrence of it.
In chapter three, the relation between agonistic behavior and feather pecking was analyzed. Therefore, the active parts of the traits (delivery of feather pecking, aggressive pecking or threatening) as well as the passive parts (reception of the traits) were considered. These groups of traits were additionally summarized by means of an index formation which led to the two additional traits Activity and Passivity, because all these behaviors are undesired in their excessive manifestations. Moreover, Indices were built by subtracting the passive traits from the respective active traits to obtain the feather pecking index, the aggression index and the threat index. Phenotypic correlations were estimated between all traits which were followed by heritability estimations and GWAS. Feather pecking is significantly positively correlated with the agonistic traits in both lines. The active traits and the feather pecking index show medium heritabilities. Hence, selection on high feather pecking leads to an increase of agonistic behavior whereas the correlation probably depends on the phase of establishing the social hierarchy and might disappear, after a stable ranking is established. GWAS revealed that the heritable traits in this study seem to be typical quantitative traits.
Chapter four provides the analyses of the gut microbial composition of the two feather pecking lines, followed by the estimation of microbiabilities for feather pecking and the two agonistic behavior traits, to study the influence of the gut microbiome on behavior. Microbiota samples from digesta and mucosa were taken from ileum and caecum. The microbial communities were determined by using 16S RNA gene sequencing techniques. Although both lines differ significantly in some fractions of their gut microbial composition, the microbial animal effects were mostly negligibly small. Thus, the calculated microbiabilities were close to zero and not significant in both lines and for all traits investigated. Hence, trait variations were not affected by the gut microbial composition in both feather pecking lines.
The thesis ends with a general discussion where additional results of a meta-analysis of pEFP and breeding strategies against feather pecking are considered.Federpicken ist ein lange bestehendes Problem in kommerziellen Legehennenherden. Es führt häufig zu Verletzungen und sogar Kannibalismus. In der Vergangenheit wurden Schnäbel gekürzt, um das Federpicken zu reduzieren. Da dieses Verfahren in einigen EU-Ländern bereits verboten ist, ist eine Lösung dringend erforderlich. Die analysierten Versuchspopulationen bildeten Hennen, die auf einer Weißen Leghorn Legerasse basierten und seit 1995 divergent für hohes und niedriges Federpicken selektiert wurden. Die erste Versuchspopulation war eine F2-Kreuzung von etwa 900 Hennen, die aus der 10. Generation der reinen Selektionslinien gebildet wurde. Die zweite Population bestand aus etwa 500 Hennen der 15. Generation dieser beiden Linien. Das Ziel war es, weitere Erkenntnisse über den genetischen Hintergrund des Federpickens und dessen Beziehung zu weiteren Verhaltensmerkmalen sowie dem Darmmikrobiom zu gewinnen.
Im ersten Kapitel wurde ein neuartiges Modell zum Nachweis extremen Federpickens ausgearbeitet. Dazu wurde eine Mischung aus zwei negativen Binomialverteilungen an die Federpickdaten der F2-Kreuzung angepasst. Mit den geschätzten Parametern wurde das Merkmal die a posteriori Wahrscheinlichkeit einer Henne, zur Untergruppe der extremen Federpicker zu gehören (pEFP), berechnet. Die Furchttests tonische Immobilität und Emerge Box wurden in juvenilem und adultem Alter durchgeführt, um die Furcht mit pEFP in Beziehung zu setzen. Nach der Dichotomisierung wurden alle Merkmale in einem multivariaten Schwellenwertmodell analysiert und anschließend genomweite Assoziationsstudien (GWAS) durchgeführt. Extreme Federpicker machten etwa ein Drittel der Hennen aus. Das neue Merkmal pEFP hat eine mittlere Heritabilität von 0,35 und ist positiv mit den Furchtmerkmalen korreliert. Die Züchtung dieses neuen Merkmals könnte den Anteil extremer Federpicker reduzieren. Ein Index der furchtbezogenen Merkmale könnte als Hilfsmerkmal dienen, um indirekt gegen pEFP zu züchten.
Im zweiten Kapitel wurde das Modell zum Nachweis extremer Federpicker auf die zwei reinen Selektionslinien angewandt. Nach der Berechnung des Merkmals pEFP wurden GWAS mit einer anschließenden post GWAS Analyse durchgeführt. Um zusätzlich genomische Regionen zu detektieren die das Federpicken beeinflussen, wurden Selektionssignaturen mittels intra- (iHS) und inter-Populations-Ansatz (FST) kartiert. Diese Kartierung ergab keine eindeutigen Regionen, an denen Selektion stattgefunden hat. Die GWAS zeigte eine Region auf Chromosom eins, in der die Existenz eines quantitative trait locus, welcher Federpicken beeinflusst, wahrscheinlich ist. Die gefundenen Kandidatengene sind ein Teil des GABA-Systems. Trotz der polygenen Natur des Merkmals Federpicken könnte die Selektion auf diese Kandidatengene das extreme Auftreten des Federpickens reduzieren.
In Kapitel drei wurde die Beziehung zwischen agonistischem Verhalten und Federpicken analysiert. Dabei wurden die aktiven (Ausübung des Federpickens, aggressiven Pickens oder Drohens) und die passiven (Empfang der Merkmale) Anteile der Merkmale betrachtet. Diese Merkmalsgruppen wurden in einer Indexbildung zusammengefasst, die zu den beiden Merkmalen Aktivität und Passivität führte, da all diese Verhaltensweisen in ihrer exzessiven Ausprägung unerwünscht sind. Es wurden Indizes gebildet, indem die passiven von den jeweiligen aktiven Merkmalen subtrahiert wurden, um den Federpick-, Aggressions- und Bedrohungsindex zu erhalten. Zwischen allen Merkmalen wurden phänotypische Korrelationen und Heritabilitäten geschätzt und GWAS angewandt. Federpicken ist signifikant positiv mit den agonistischen Merkmalen in beiden Linien korreliert. Die aktiven Merkmale und der Federpick-Index zeigen mittlere Heritabilitäten. Daher führt die Selektion auf hohes Federpicken zu einer Zunahme des agonistischen Verhaltens, wobei die Korrelation wahrscheinlich von der Phase der Etablierung der sozialen Hierarchie abhängt. Die GWAS ergab, dass es sich um typische quantitative Merkmale zu handeln scheint.
Kapitel vier enthält die Analysen der Darmmikrobiota der beiden Linien, sowie die Schätzung der Microbiabilities für Federpicken und agonistischer Verhaltensmerkmale, um den Einfluss des Darmmikrobioms auf das Verhalten zu untersuchen. Mikrobiotaproben aus der Digesta und Mucosa wurden aus Ileum und Caecum entnommen. Die Mikrobengemeinschaften wurden mit Hilfe von 16S-RNA Gen-Sequenzierungstechniken bestimmt. Obwohl sich beide Linien in einigen Fraktionen ihrer mikrobiellen Zusammensetzung im Darm signifikant unterscheiden, waren die mikrobiellen Tiereffekte meist vernachlässigbar gering. Somit waren die berechneten Microbiabilities nahe Null und nicht signifikant. Dies bedeutet, dass die Merkmalsvariation nicht durch die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflusst wurde.
Die Dissertation endet mit einer allgemeinen Diskussion, in der zusätzliche Ergebnisse einer Meta-Analyse sowie Zuchtstrategien gegen Federpicken berücksichtigt werden
Characterization of the role of the NLR proteins NLRC5 and NLRP11 in the immune response
Get PDFRecognition of conserved molecular patterns by pattern recognition receptors (PRRs) is crucial for the initiation of an innate immune response. Within PRRs, the NOD-like receptor (NLR) family is, in humans, a group of 22 cytosolic proteins, which function as PRRs of the innate immune system and as regulators of adaptive immune responses. However, it has become evident, that several NLR proteins also function as regulators of innate immune responses. In this thesis the function of human NLR proteins NLRC5 and NLRP11 in immune responses was further characterized.
The first part of this thesis was focused on the NOD-like receptor NLRC5. NLRC5 and major histocompatibility complex (MHC) class II transcriptional activator (CIITA) are the master regulators of MHC class I and II transcription, respectively. Both proteins can translocate into the nucleus, where they induce transcription of MHC class I and class II, respectively. As NLRC5 and CIITA do not possess intrinsic DNA binding capacities, they exert their function by binding to a common multiprotein complex, termed MHC enhanceosome and through recruitment of further transcriptional regulators. Although MHC enhanceosome components are, as known thus far, identical, NLRC5 and CIITA are specific for their respective transcriptional targets. In this work we employed several techniques to identify novel interaction partners of NLRC5 to understand the mechanisms behind this specificity. As the N-terminal domain death-domain like fold (DD) of NLRC5 has previously been shown to be involved in conferring specificity, we adapted a protocol for proximal ligation by fusion of the NLRC5 DD to biotin ligase from Aquifex aeolicus (BioID2) to unravel the interactome of this NLRC5 domain. By enrichment of biotinylated proteins through streptavidin-biotin precipitation and analysis of the proteins by LC-MS/MS, we aimed to identify novel putative interactors with functions in transcriptional regulation. Additionally, we used yeast 2 hybrid screening of the NLRC5 DD against a library of human CD4+ and CD8+ T cells for the identification of novel interaction partners. This led to the identification of the paired amphipathic helix protein Sin3A (Sin3A) and the negative elongation factor B (NELFB) as interactors of NLRC5 DD. Characterization of their role in transcriptional regulation of MHC class I revealed an inhibitory role of both proteins. However, as we also observed repression of CIITA-mediated MHC class II transcription, both proteins are likely not involved in determination of target specificity of NLRC5.
Translocation of NLRC5 into the nucleus is essential for the induction of MHC class I transcription. It has however previously been shown, that forced nuclear localization of NLRC5 strongly diminishes its transcriptional activity. We therefore employed co-immunoprecipitation of differentially localized NLRC5 constructs to identify interaction partners which might be involved in post translational regulation of NLRC5.
Further, to advance our understanding of the NLRC5 DD, we aimed to elucidate its crystal structure. For this, we established a protocol for large-scale recombinant expression and purification of the NLRC5 DD for subsequent crystallization of the recombinant protein.
The second part of this thesis was focused on NLRP11. Tight regulation of inflammatory cytokine and interferon (IFN) production in innate immunity is pivotal for optimal control of pathogens and avoidance of immunopathology. NLRP11 has previously been shown to regulate type I IFN and other pro-inflammatory responses. To gain a deeper understanding of the underlying mechanism, we aimed to identify novel NLRP11 interactors, through which the inhibition is conferred. Here we generated cell lines stably expressing NLRP11-eGFP as novel tools to elucidate the functions of NLRP11. We identified the ATP-dependent RNA helicase DDX3X as a novel binding partner of NLRP11 by co immunoprecipitation and LC-MS/MS. DDX3X is known to enhance type I IFN responses and NLRP3 inflammasome activation. We demonstrate that NLRP11 can abolish IKKe-mediated phosphorylation of DDX3X, resulting in lower type I IFN induction upon viral infection. These effects were dependent on the leucine-rich repeat (LRR) domain of NLRP11 that we mapped as the interaction domain for DDX3X. In addition, NLRP11 also suppressed NLRP3-mediated caspase-1 activation in an LRR domain-dependent manner, suggesting, that NLRP11 might sequester DDX3X and prevent it from promoting NLRP3-induced inflammasome activation. Taken together, our data revealed DDX3X as a central target of NLRP11, which can mediate the effects of NLRP11 on type I IFN induction, as well as NLRP3 inflammasome activation. This expands our knowledge of the molecular mechanisms underlying NLRP11 function in innate immunity and suggests that both NLRP11 and DDX3X might be promising targets for modulation of innate immune responses.Die Erkennung konservierter molekularer Muster durch Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) ist die Grundlage für die Einleitung einer angeborenen Immunreaktion. Innerhalb der Gruppe der PRRs stellen die NOD-like Rezeptoren (NLRs) im Menschen eine Gruppe von 22 zytosolischen Proteinen dar, welche Funktionen als PRRs, sowie in der Regulation der adaptiven Immunantwort besitzen. Einige NLR Proteine wurden ebenfalls als Regulatoren angeborener Immunreaktionen beschrieben. In dieser Arbeit wurde die Rolle der humanen NLR Proteine NLRC5 und NLRP11 in der Immunantwort weiterführend charakterisiert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit NLRC5. NLRC5 und der major histocompatibility complex class II transcriptional activator (CIITA) sind die Hauptregulatoren der Transkription der Haupthistokompatibilitätskomplexe (MHC) Klasse I respektive Klasse II. Beide Proteine translozieren in den Zellkern, binden jedoch nicht direkt an die DNA, sondern interagieren hierfür mit dem MHC Enhanceosom. Zusätzlich rekrutieren sie transkriptionelle Regulatoren. Obwohl die aktuell bekannten Komponenten des Enhanceosoms identisch sind, sind NLRC5 und CIITA spezifisch für ihre Zielgene. Um die zugrunde liegenden Mechanismen der Spezifität zu verstehen, verwenden wir hier verschiedene Methoden zur Identifikation neuer Interaktionspartner von NLRC5. Da in vorhergehenden Arbeiten gezeigt werden konnte, dass die N-terminale Domäne (DD) von NLRC5 für die Spezifität wichtig ist, wurden mittels Fusion der NLRC5 DD an die Biotinligase von Aquifex aeolicus (BioID2), Proteine in räumlicher Nähe des Fusionsproteins mit Biotin markiert, durch Streptavidin-Biotin Präzipitation aufgereinigt und anschließend mittels LC-MS/MS Analyse identifiziert. Dadurch sollten neue Interaktoren mit Funktionen in der transkriptionellen Regulation identifiziert werden. Des Weiteren wurden in einem Hefe 2 Hybrid Screenings der DD gegen eine Bibliothek aus humanen CD4+ und CD8+ T Zellen, das paired amphipathic helix Protein Sin3A (Sin3A), sowie der negative elongation factor B (NELFB) als Interaktoren identifiziert. Beide Proteine zeigten ein inhibitorische Funktion bei der NLRC5-vermittelten Induktion von MHC Klasse I, allerdings ebenfalls bei der CIITA-vermittelten MHC Klasse II Transkription. Beide Proteine sind deshalb wohl nicht in der Vermittlung der Spezifität von NLRC5 für MHC Klasse I involviert.
Der Import von NLRC5 in den Zellkern ist essenziell für die MHC Klasse I Transkriptionjedoch vermindert erzwungene nukleäre Lokalisation die transkriptionelle Aktivität stark. Deshalb haben wir versucht, mittels Ko Immunopräzipitation (Ko-IP) unterschiedlich lokalisierter NLRC5-Konstrukte, Interaktoren zu identifizieren, die in der post-translationalen Kontrolle von NLRC5 involviert sind.
Um des Weiteren unser Verständnis der N-terminalen Domäne von NLRC5 zu vertiefen, wurde die Untersuchung der Proteinstruktur der Domäne nach Kristallisation angestrebt. Hierzu wurde ein Protokoll zur rekombinanten Expression, sowie zur Aufreinigung des Proteins etabliert.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit NLRP11. Die effektive Regulation der inflammatorischen Zytokin- und Interferon (IFN)-Antworten des angeborenen Immunsystems ist essenziell, um Pathogenen unter Kontrolle zu halten, und dabei Immunopathologien durch überschießende Immunreaktionen zu vermeiden. In vorhergehenden Arbeiten wurde NLRP11 als negativer Regulator der Typ I IFN-Antwort, sowie anderer pro-inflammatorischer Immunantworten beschrieben. Um unser Verständnis der zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen zu vertiefen, haben wir mittels in dieser Arbeit generierten Zelllinien mit stabiler, induzierbarer Expression von NLRP11 eGFP, durch Ko-IP und LC-MS/MS nach neuen Interaktoren von NLRP11 gesucht, die dessen inhibitorische Funktion vermitteln. Hierbei haben wir die ATP-abhängige RNA-Helikase DDX3X identifiziert, die als positiver Regulator der Typ I IFN-Antwort und des NLRP3 Inflammasoms bekannt ist. Wir zeigen hier, dass NLRP11 die IKKe-vermittelte Phosphorylierung von DDX3X verhindert, was zur Verminderung der Typ I IFN-Antwort nach viraler Infektion führt. Dieser Effekt ist von der NLRP11 Leucin rich repeat (LRR) Domäne abhängig, die wir als Interaktionsdomäne für DDX3X identifizieren konnten. Zusätzlich zeigen wir, dass die NLRP11 LRRs die NLRP3-vermittelte Caspase-1 Aktivierung in Abhängigkeit von DDX3X inhibieren, was vermuten lässt, dass NLRP11 DDX3X sequestriert und damit verhindert, dass DDX3X die NLRP3 vermittelte Inflammasomaktivierung verstärkt. Unsere Daten zeigen, dass DDX3X ein zentraler Faktor für die negative Regulation der Typ I IFN-Antwort, sowie des NLRP3 Inflammasoms durch NLRP11 ist. Dies vertieft unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen der regulatorischen Funktion von NLRP11 in der angeborenen Immunantwort und weist darauf hin, dass sowohl NLRP11 als auch DDX3X vielversprechende Kandidaten für Eingriffe in das angeborene Immunsystem darstellen
Sustainability assessment and education for sustainability in the Russian Federation on the example of Tambov region
Get PDFOver the past few decades economic growth has come at the expenses of the environments and the topic of sustainable development is becoming more important. Sustainable development is development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.
The main aim of this dissertation was to investigate the available methodologies of sustainability assessment and to test which of them could be suitable for Russian conditions. Russia is an interesting subject for research as, it has its own history of sustainability science, but quite often the commitment to sustainable development is only in rhetoric and there are some problems with the interpretation of the concept of sustainable development. For example, in Russian official documents the term sustainability is used as a synonym for stable economic growth.
The focus of the research was a creation of an indicator system for a regional sustainability assessment on the example of Tambov region of the Russian Federation. At the first stage of the research a regional assessment was performed with the help of the United Nations set of sustainable development indicators, SWOT analysis was performed to identify the main strengths and problems in the region. Also, the availability of statistical data and relevancy for the research region of the indicators was checked.
During the next stage of the research a composite indicator was created using different techniques for normalization of indicator and weighting. Then robustness and sensitivity analysis of created indicators was performed, the results were visualised, and composite indicators were decomposed to explain the drivers of the aggregated results.
The result of this work has shown that composite indicators together with regional assessment on the base of sustainability indicators are the tools that could support policymakers in sustainability decision-making. There are some problems with the availability of the statistical data in Russia, and there is no monitoring mechanism at the federal district level and lack of coordination with work of statistical agencies. This research is confirming a necessity of further research, and a need to develop a monitoring and assessment system in Russian Federation.
The second part of the research was devoted to education for sustainable development. UNESCO is stressing that the approach of Education for Sustainable Development empowers learners to take informed decisions and responsible actions for environmental integrity, economic viability, and a just society for present and future generations, and therefore education is playing a crucial role in reaching sustainability (UNESCO, 2017).
The aim of this research was to see how the sustainability topics are integrated into the curriculum of the agricultural universities, to define the sources of integration and research possible problems and formulate the recommendations for strengthening the integration. To research the education for sustainable development in Russia first a literature review was conducted, followed by 16 semi-structured interviews with the representatives of 8 universities.
The research confirmed the fact that sustainability is present as a topic in the official documents, for example educational standard, but this mention remains only rhetorical and does not provide the background for the establishment of a framework for integration of sustainability concept. As a result, the integration into education is mostly driven by the personal initiative of the teaching staff.
There is a clear demand for an integration framework of sustainability topics in the federal state educational standard. The main problems are uncoordination and competition between departments and ministries, overload of teachers, lack of best-practices, absence of system in the education and limited financing. These problems could be mitigated with creation of interdepartmental centres, creation of interdisciplinary working groups, creation of a systematic concept of education for sustainability and involvement of different stakeholders into educational projects, but the success of these measures depends on the general approach and if the importance of sustainability will be present only in official documents, then there will be no shift in integration, and everything will depend only on individual initiative of teachers.In den letzten Jahrzehnten ging das Wirtschaftswachstum zu Lasten der Umwelt und das Thema der Nachhaltigkeit wird immer wichtiger. Nachhaltige Entwicklung ist eine Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass künftige Generationen ihre Bedürfnisse nicht mehr befriedigen können.
Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die verfügbaren Methoden der Nachhaltigkeitsbewertung zu erforschen und zu prüfen, welche davon für die russischen Verhältnisse geeignet sein könnten. Russland ist ein interessantes Forschungsthema. Es hat zwar eine eigene Geschichte der Nachhaltigkeitswissenschaft jedoch ist das Engagement für nachhaltige Entwicklung nur in der Rhetorik vorhanden und es gibt einige Probleme mit der Interpretation des Konzeptes der nachhaltigen Entwicklung. In offiziellen russischen Dokumenten wird der Begriff Nachhaltigkeit beispielsweise als Synonym für stabiles Wirtschaftswachstum verwendet.
Im Zentrum der Forschung stand die Entwicklung eines Indikatorensystems für eine regionale Nachhaltigkeitsbewertung am Beispiel der Region Tambov der Russischen Föderation. In der ersten Phase der Forschung wurde eine regionale Bewertung mit Hilfe des Indikatorensatzes der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine SWOT-Analyse durchgeführt, um die Stärken und Probleme der Region zu identifizieren. Außerdem wurde die Verfügbarkeit von statistischen Daten und die Relevanz der Indikatoren für die Untersuchungsregion geprüft.
In der nächsten Phase der Forschung wurde ein zusammengesetzter Indikator erstellt, wobei verschiedene Techniken zur Normalisierung der und zur Gewichtung verwendet wurden. Anschließend wurden Robustheits- und Sensitivitätsanalysen der erstellten Indikatoren durchgeführt, die Ergebnisse visualisiert und zusammengesetzte Indikatoren zerlegt, um die Treiber der aggregierten Ergebnisse zu erklären.
Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass zusammengesetzte Indikatoren vereint mit einer regionalen Bewertung auf der Grundlage von Nachhaltigkeitsindikatoren die Instrumente sind, die politische Entscheidungsträger bei der Entscheidungsfindung im Bereich der Nachhaltigkeit unterstützen können. Es gibt einige Probleme mit der Verfügbarkeit der statistischen Daten in Russland, keinen Überwachungsmechanismus auf der Ebene der föderalen Bezirke und einen Mangel an Koordination mit der Arbeit der statistischen Ämter. Im Ergebnis bestätigt es die Notwendigkeit weiterer Forschung und das Erfordernis, ein Überwachungs- und Bewertungssystem in der Russischen Föderation zu entwickeln.
Der zweite Teil der Forschung widmet sich der Bildung für nachhaltige Entwicklung. Die UNESCO betont, dass der Ansatz der Bildung für nachhaltige Entwicklung die Lernenden dazu befähigt, fundierte Entscheidungen zu treffen und verantwortungsbewusst zu handeln, um die Integrität der Umwelt, die wirtschaftliche Tragfähigkeit und eine gerechte Gesellschaft für heutige und künftige Generationen zu gewährleisten. Die Bildung spielt daher eine entscheidende Rolle bei der Verwirklichung der Nachhaltigkeit (UNESCO, 2017).
Die Integration der Nachhaltigkeitsthemen in die Lehrpläne der landwirtschaftlichen Hochschulen, die Definition von Integrationsquellen, die Erforschung möglicher Probleme und die Formulierung von Empfehlungen zur Stärkung der Integration ist Ziel dieser Forschung. Zur Erforschung der Bildung für nachhaltige Entwicklung in Russland wurde zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt, gefolgt von 16 halbstrukturierten Interviews mit Vertretern von 8 Universitäten.
Die Analyse bestätigte die Tatsache, dass das Thema Nachhaltigkeit zwar in den offiziellen Dokumenten, z. B. den Bildungsstandards, enthalten ist, die Erwähnung jedoch keinen Rahmen für die Integration des Nachhaltigkeitskonzepts vorgibt und die Integration in die Bildung meist durch die Eigeninitiative der Lehrenden vorangetrieben wird.
Es besteht daher ein klarer Bedarf an einem Integrationsrahmen von Nachhaltigkeitsthemen im Landesbildungsstandard. Die Hauptprobleme sind mangelnde Koordination und Konkurrenz zwischen Abteilungen und Ministerien, Überlastung der Lehrkräfte, Fehlen von Best-Practice-Beispielen, ein mangelhaftes Bildungssystem und begrenzte Finanzierung