1,721,098 research outputs found
Vorteile und Kompromisse von durch Hülsenfrüchte geführten Fruchtfolgen in Bezug auf Ernteleistung und Bodenerosion in verschiedenen Größenordnungen im Südwesten Kenyas
Full text linkSoil erosion and land fragmentation threaten agricultural production in large parts of the Western Kenyan Highlands. In Rongo watershed, maize–common bean intercropping systems, which dominate the agricultural landscape, are vulnerable to soil degradation, especially on long slope lengths where ground and canopy cover provision fail to protect the soil from the disruptive impact of raindrops. The inclusion of soil conservation measures like hedgerows, cover crops or mulch can reduce soil erosion, but compete with crops for space and labour. Knowledge of critical slope length can minimise interventions and trade–offs. Hence, we evaluated maize–common bean intercrop (MzBn) regarding runoff, erosion and crop yield in a slope length trial on 20, 60 and 84 m plot lengths, replicated twice on three farms during one rainy season in Rongo, Migori County. Additionally, we investigated systems of MzBn (farmers’ practice), MzBn with 5 Mg ha-1 Calliandra calothyrsus mulch (Mul), Arachis hypogaea (Gnt), Lablab purpureus (Lab) and Mucuna pruriens (Muc), regarding their impact on infiltration, runoff, soil loss, soil C and N loss during three rainy seasons (long and short rains, LR and SR, 2016, and LR 2017). Measured field data on soil, crop, spatial maps and meteorology were used as input datasets to parameterize and calibrate the LUCIA model. The calibrated and validated model was then used to simulate agronomic management scenarios related to planting date (planting with first rain vs baseline) and vegetation cultivar (short duration crop) to mitigate water stress.
Based on the measurements, groundcover was most influential over rainfall intensity (EI30) and plant canopy cover in predicting soil loss. Dense groundcover of Mul at the beginning of the rainy seasons was decisive to significantly (p 5mm) in the topsoil under Mul at the end of SR 2016 significantly (p<0.05) increased infiltration rates (420 mm hr-1) in LR 2017 compared to Lab (200 mm hr-1) and Gnt (240 mm hr-1). Average C and N concentrations in eroded sediments were significantly reduced under Mul (0.74 kg C ha–1, 0.07 kg N ha–1) during the LR 2016 as compared to MzBn (3.20 kg C ha–1, 0.28 kg N ha–1) and Gnt (2.54 kg C ha–1, 0.23 kg N ha–1). Likewise, in SR 2016 Mul showed significantly lowered C and N losses of 3.26 kg C ha–1 and 0.27 kg N ha–1, respectively, over Lab (9.82 kg C ha–1, 0.89 kg N ha–1).
Soil loss over 84 m slope length was overall significantly higher by magnitudes of 250 and 710% than on 60 and 20 m long plots, respectively, which did not differ significantly among each other (p<0.05). For runoff, 84 m plot length differed significantly from 60 and 20 m, but in the opposite trend as for soil loss. Across all three farms, slope gradient and slope length were the variables with highest explanatory power to predict soil loss. At the individual farm level, under homogeneous slope and texture, slope length and profile curvature were most influential. Considering results of slope length experiments, plot lengths less than 50 m appear to be preferential considering soil loss, sediment load, and soil loss to yield ratio under the given rainfall, soil and slope conditions. Our results call for integrating slope length options and cropping systems for effective soil conservation. We recommend planting Mucuna and Calliandra–hedgerows as buffer strips below the critical slope length, and legume cash crops and maize uphill. Such approaches are critical in the backdrop of land fragmentation and labour limitation in the region to sustainably maximise land area. In the modelling exercise, crops planted one and three weeks after the baseline planting date increased Maize and Muc grain yield over the baseline during the three cropping seasons, the three weeks treatment in particular. This could be due to more favourable weather conditions during the shifted vegetation period. Increased grain yield corresponded to high water use efficiency (WUE). The short duration crop planted three weeks after the baseline planting date (PD3WL+SDC10) showed the highest grain yield after PD3WL (three weeks late plaing with BL variety). The use of cultivars with short growth cycle offers the flexibility of planting again where crops failed due to crop water stress or where the rains delay, ensuring completion of the growth cycle before the season ends. Given that short growth duration crops produce less grain yield compared to their counterpart full season crops, due to the length of their cycles, breeding programs must prioritize traits that can enhance the size of the grain-filling sink. At the plot level, management systems that reduce evaporation and retain soil moisture, e.g. mulching, application of farmyard manure etc., must be promoted to reduce evapotranspiration.Bodenerosion und Kleinteiligkeit von Betriebsflächen bedrohen die landwirtschaftliche Produktion in weiten Teilen des westkenianischen Hochlands. Im untersuchten Wassereinzugsgebiet von Rongo sind die weit verbreiteten Mais-Bohne-Mischkkultursysteme gefährdet durch Bodendegradierung. Dies ist vor allem auf langen Hängen und dort der Fall, wo der Oberboden nicht durch entsprechende Bodenbedeckung vor Schlagregen geschützt ist. Bodenschutzmaßnahmen wie Hecken, Bodendecker oder Mulch können das Ausmaß von Bodenerosion verringern, konkurrieren aber oft mit der Hauptkultur um Raum bzw. Arbeitskraft. Der gezielte Einsatz solcher Interventionen ausschliesslich in Bereichen kritischer Hangpositionen kann solcherlei Aufwand und Konkurrenzeffekte minimieren. In diesem Zusammenhang wurden in der hier vorgestellten Studie Mais-Bohne-Mischkulturen (MzBn) während einer Anbausaison auf drei unterschiedlichen Hanglängen (20, 60 und 84 m) mit jeweils zwei Wiederholungen auf drei Betrieben in Rongo, Migori County, hinsichtlich Oberflächenabfluss, Erosion und Ertrag verglichen. Zudem wurden MzBn, MzBn mit 5 Mg ha-1 Calliandra calothyrsus Mulch (Mul), Arachis hypogaea (Gnt), Lablab purpureus (Lab) und Mucuna pruriens (Muc) hinsichtlich Infiltration, Oberflächenabfluss, Erosion, organischem Boden-C und Gesamt-Boden-N während dreier Anbauperioden (lange und kurze Regenzeit 2016 und lange Regenzeit 2017) verglichen. Gemessene Boden- und Pflanzenparameter sowie Boden-, Landnutzungskarten und ein digitales Höhenmodell wurden nebst tagesgenauen Wetterdaten als Eingaben für das Lucia (Land Use Change Impact Assessment)-Modell verwendet. Mit dem kalibrierten und validierten Modell wurden dann Szenarien zum Wasserstressmanagement mit Fokus auf Aussaatzeitpunkten und Sortenwahl (verschiedene Vegetationsdauer) getetstet.
Die Auswertung der Feldversuche zeigte, dass der Grad der Bodenbedeckung (durch Biomasse, Mulch und Streu) stärkeren Einfluss auf Bodenabtrag hatte als Regenintensität (EI30) und Bodenbedeckung des Blätterdachs allein. Die dichte Bodenbedeckung durch Calliandramulch in Mul zu Beginn der Saison war dabei entscheidend für signifikant geringeren Oberflächenabfluss (88, 87 und 84% niedriger als in MzBn, Lab und Gnt) und Bodenabtrag (66 und 65% niedriger als in Gnt und Lab). Der hohe Anteil großer Bodenaggregate > 5mm im Oberboden zum Ende der kurzen Regenzeit (SR) 2016 stand in Zusammenhang mit im Vergleich zu Lab (200 mm hr-1) and Gnt (240 mm hr-1) signifikant erhöhten Infiltrationsraten unter Mul (420mm h-1) in der langen Regenzeit (LR) 2017.
Durchschnittliche C- und N-Konzentrationen in Sedimenten waren in der LR 2016 unter Mul (0.74 kg C ha–1, 0.07 kg N ha–1) signifikant niedriger als unter MzBn (3.20 kg C ha–1, 0.28 kg N ha–1) und Gnt (2.54 kg C ha–1, 0.23 kg N ha–1). Ebenso waren in der SR 2016 C- und N-Verluste deutlich geringer als unter Lab (3.26 kg C ha–1 und 0.27 kg N ha–1 im Vergleich zu 9.82 kg C ha–1 und 0.89 kg N ha–1).
Bodenabtrag bei 84 m Hanglänge war 250 bzw. 710% höher als auf den 60 und 20 m Anlagen, wobei sich letztere statistisch (p<0.05) nicht unterschieden. Hinsichtlich Oberflächenabfluss unterschieden sich die Hanglängen ebenfalls statistisch, aber in entgegengesetzter Richtung. Im Vergleich der Flächen auf allen drei Betrieben waren Hangneigung und –länge die statistisch einflussreichsten Faktoren bezüglich Bodenabtrag. Auf den einzelnen Betrieben, d.h. bei gleich Hangneigung und Bodenart, waren Hanglänge und Hangform ausschlaggebend. Als Ergebnis der Hanglängenversuche erwies sich eine Länge von 50 m unter den gegebenen Wetter-, Boden- und Geländebedingungen als kritisch bzgl. Erosion, Sedimentmengen und dem Verhältnis von Erosion zu Ertrag.
Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass effektiver Bodenschutz vor allem durch die Integration von Hanglänge und Anbausystem (Pflanzenwahl) erreicht werden kann. Es wird empfohlen Calliandra-Hecken mit Mucuna-Unterpflanzung als Pufferzonen in Streifen unterhalb der kritischen Hanglänge anzulegen sowie Körnerleguminosen und Mais als cash crops oberhalb. Durch diesen Ansatz kann vor dem Hintergrund der Landfragmentierung und Knappheit an Arbeitskraft in der Untersuchungsregion die nutzbare Landfläche nachhaltig optimiert werden.
Der Modellierungsteil dieser Studie zeigte, dass Erträge bei einer und besonders bei drei Wochen späterem Aussaatzeitpunkt im Vergleich zum lokal üblichen Termin während aller drei Anbauperioden zu höheren Kornerträgen führte. Grund hierfür könnten günstigere Wetterbedingungen während der somit verschobenen Vegetationsperiode sein. Die höheren Erträge gingen einher mit effizienterer Wassernutzung der Pflanzen. Eine Sorte mit verkürzter Vegetationsperiode, drei Wochen nach dem üblichen Termin gepflanzt (PD3WL+SDC10), erzielte die höchsten Erträge.
Sorten kürzerer Vegetationsdauer bieten allgemein höhere Flexibilität in Fällen spät einsetzender Regenfälle oder von Pflanzenmortalität, da auch bei wiederholter Aussaat die Regenzeit noch hinreichend genutzt werden kann. Angesichts der niedrigereren Ertragbildung während verkürzter Vegetationsdauer sollte ein höherer Kornanteil prioritäres Zuchtziel für zukünftige Sorten sein. Auf der Seite der Landwirte bedeutet dies, dass vermehrt Anbausysteme, die Evaporation verringern und Bodenfeuchte konservieren (z.B. Mulchen, Mistgaben), zur Anwendung kommen sollten
Einfluss des Pilzes Fusarium oxysporum f. sp. strigae im biologischen Pflanzenschutz auf pflanzenassoziierte mikrobielle Gemeinschaften in der Maisrhizosphäre
No full textStriga hermonthica causes severe yield reduction in cereal crop production in Sub-Saharan Africa. Intergrated Striga management has been proposed as one of the best options to control striga. Along this line, the use of biocontrol agent (BCA) Fusarium oxysporum f.sp. strigae (Foxy-2) has been proven as an effective and environmental friendly management strategy. It is well established that a prerequisite for a successful BCA is sufficient risk assessment analysis. Towards this direction, Foxy-2 was assessed for its potential non-target impacts on the abundance, community structure of bacterial and archaeal nitrifying prokaryotes as well as enzymatic activities of proteolytic bacteria. Maize rhizosphere soils treated with or without Foxy-2, Striga and high quality organic residues (i.e., Tithonia diversifolia) as N source were evaluated by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP). It was observed that Foxy-2 had a promoting effect on archaeal abundance under controlled conditions in sandy soils. Furthermore, crop growth stage, seasonality and soil type had a strong effect on abundance and community structure of nitrifying prokaryotes over Foxy-2 inoculation. In addition proteolytic enzymatic activities analysis showed that Foxy-2 did not affect their activities. Correlation analysis also showed that abundance and community structure on nitrifying communities positively correlated with extractable organic carbon, extractable organic nitrogen and soil pH, while proteolytic enzymatic activities correlated with extractable organic nitrogen and soil ammonium. It was concluded that Foxy-2 is compatible with nitrifying prokaryotes and proteolytic enzymatic activities.Striga hermonthica ist ein wichtiger limitierender Faktor der Getreideproduktion und Ernährungssicherheit im subsaharischen Afrika. Die integrierte Kontrolle wird als eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten zur Bekämpfung parasitischer Striga-Arten angesehen. Dabei hat sich die Kombination resistenter Getreidesorten und mikrobiologischer Nutzorganismen wie Fusarium oxysporum f. sp. strigae („Foxy-2“) als effiziente und umweltfreundliche Bekämpfungsstrategie bewährt. Obwohl die Anwendung von „Foxy-2“ als wichtige Komponente in der integrierten Striga-Kontrolle propagiert wird, wurde bisher keine Risikoanalyse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Mikroorganismen durchgeführt. Eine solche Risikoanalyse ist jedoch unabdingbar für Feldapplikationen im größeren Maßstab. Außerdem wurde ein stark variierender Wirkungsgrad von „Foxy-2“ auf Striga unter Labor-, Gewächshaus- und Feldbedingungen beobachtet, was auf unterschiedliche biotische und abiotische Standortfaktoren zurückzuführen ist.
Deshalb zielte die vorliegende Arbeit darauf ab mögliche Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf Schlüsselmikroorganismen des Stickstoffkreislaufes (z.B. Nitrifikation und Proteolyse) in der Maisrhizosphäre zu bestimmen. Spezifische Ziele waren (1) mögliche Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf die Abundanz von Ammonium-oxidierenden Archaeen (AOA) und Bakterien (AOB) sowie auf Gesamtarchaeen und -bakterien zu untersuchen. Dazu wurde ein Rhizobox-Versuch mit zwei unterschiedlichen Böden (sandiger Ferric Alisol bzw. toniger Humic Nitisol) von nicht Striga-infizierten Standorten im zentralen Hochland von Kenia (Embu und Machanga) angelegt; (2) Effekte von Bodeneigenschaften, Pflanzenwachstum (frühes Blattentwicklungsstadium (EC 30), Blüte (EC 60) und Seneszenz (EC 90)) und Saisonalität (kurze und lange Regenzeit) auf die Dynamik der Abundanz und Struktur von Gesellschaften nitrifizierender Prokaryoten relativ zum Effekt der Inokulation mit „Foxy-2“ an zwei unterschiedlichen agrarökologischen Standorten (Busia und Homa Bay) in West-Kenia zu quantifizieren; (3) die methodische Entwicklung spezifischer Polymerasekettenreaktionen (qPCR) zur Quantifizierung proteolytischer Bakterien (z.B. neutrale Metalloproteasen kodierende npr Gene) in tropischen Böden; (4) Identifizierung von Nebenwirkungen von „Foxy-2“ auf die Abundanz proteolytischer Bakterien (qPCR) und deren Enzymaktivität (z.B. npr Gen spezifische Suc-ala-Ala-Phe-AMC) mittels der neu entwickelten Methoden.
Der Versuchsansatz basierte auf einer Kombination von Rhizobox- und Feldversuchen, in denen Behandlungen mit und ohne „Foxy-2“ beschichtetes Maissaatgut sowie mit und ohne Striga-Saatgut getestet wurden. Unter der Annahme, dass „Foxy-2“ N-Konkurrenz induziert und die Entwicklung N-umsetzender Mikroorganismen hemmt, wurde eine zusätzliche Behandlung mit einer leicht verfügbaren organischen N-Quelle (Tithonia diversifolia Pflanzenmaterial) angesetzt. Rhizosphären-Boden der Maisversuche wurde anhand molekularer (qPCR und terminaler Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (TRFLP)), biochemischer (enzym- und bodenchemische Analysen) und statistischer Verfahren analysiert.
Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die Anwendung von „Foxy-2“ mit nitrifizierenden und proteolytischen Prokaryoten vereinbar ist und keine nachteiligen Wirkungen auf die Abundanz und Struktur wichtiger Gene des N-Kreislaufs der untersuchten Bodenmikroorganismen hat. Um den vorübergehenden suppressiven Effekt von „Foxy-2“ auf die Abundanz proteolytischer Bakterien zu kompensieren, ist die Kombination von „Foxy-2“ Inokulation mit leicht abbaubarem Pflanzenmaterial empfehlenswert. Im Feldversuch beeinflussten Pflanzenentwicklungsstadium, Saisonalität und Bodentyp die Abundanz und Struktur der nitrifizierenden Prokaryoten stärker als „Foxy-2“. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Berücksichtigung standortspezifischer Faktoren in Risikoanalysen zum biologischen Pflanzenschutz. Es kann außerdem angenommen werden, dass vergleichbare Faktoren einen signifikanten Einfluss auf die Effektivität von „Foxy-2“ bei der Kontrolle von Striga haben, was in zukünftigen Studien berücksichtigt werden sollte. Eine gründliche Untersuchung von Interaktionen zwischen „Foxy-2“ und Standortfaktoren ist insbesondere notwendig, um die Wirksamkeit von Fusarium oxysporum f. sp. strigae durch weitere Forschung zu lokalen Isolaten, die möglicherweise besser an lokale Boden- und Klimabedingungen angepasst sind als das hier verwendete ghanaische Isolat, zu verbessern. Außerdem sollten zukünftige Studien eine große Bandbreite an Mikroorganismen, z.B. pflanzenwachstumsfördernde Bakterien, mit Kontrollpotential gegen Striga untersuchen. Eine Kompatibilität solcher Striga unterdrückender Bakterien in Kombination mit „Foxy-2“ oder anderen Isolaten könnte die Wirksamkeit mikrobieller Kontrollstrategien gegen Striga weiter verbessern
Modellierung des Einflusses der Küstenvegetation auf den Tsunami von 2004
Full text linkA tsunami causes several effects once it reaches inland. Infrastructure damage and casualties are two of its most severe consequences being mostly determined by seaquake intensity and offshore properties. Nevertheless, once on land, the energy of the wave is attenuated by gravity (elevation) and friction (land cover). Despite being promoted as ‘bio-shields’ against wave impact, proposed tree-belt effects lacked quantitative evidence of their performance in such extreme events, and have been criticized for creating a false sense of security. The current study analyzed some of the land uses in sites affected by the 2004 tsunami event, especially in coastal areas close to the coast of Indonesia, more specifically on the west coast of Aceh, Sumatra as well as on the Seychelles. Using transects perpendicular to the coast, the influence of coastal vegetation on the impact of the 2004 tsunami, particularly cultivated trees, was modeled. A spatial statistical model using a land cover roughness coefficient to account for the resistance offered by different land uses to the wave advance was developed. The coefficient was built using land cover maps, land use characteristics (stem diameter, height, and planting density), as well as a literature review. The spatial generalized linear mixed models used showed that while distance to coast was the dominant determinant of impact (casualties and infrastructure damage), the existing coastal vegetation in front of settlements also significantly reduced casualties, in the case of Aceh, by an average of 5%. Despite this positive effect of coastal vegetation in front of a settlement, it was also found that dense vegetation behind villages endangered human lives and increased structural damage in the same case, most likely due to debris carried by the backwash. The models initially developed in Aceh were adapted and tested for the effects that the same tsunami event caused in the Seychelles, where the intensity of the event was a tenth of that in Aceh. These new models suggested no direct effect of coastal vegetation, but they indicated that vegetation maintained dunes decreased the probability of structural damage. Additionally, using satellite imagery with higher resolution than that of the first study and/or from different years before the tsunami, corresponding land roughness coefficients were developed and tested with the existing models. The new models showed no signs of further increase of goodness of fit (AIC). Nevertheless, weather conditions at the acquisition dates as well as coverage and lack of image availability diminished the predictive power of these models. Overall, more than advocating for or against tree belts, a sustainable and effective coastal risk management should be promoted. This planning should acknowledge the location (relative to the sea) of settlements as the most important factor for future coastal arrangements. Nevertheless, it should also consider the possible direct and indirect roles of coastal vegetation, determined by its spatial arrangement as shown in the study models. Sustainability of these measures would only occur when coastal vegetation is regarded as a livelihood provider rather than just as a bio-shield. Practical examples could include, e.g. rubber plantations or home gardens in front of settlements, while leaving escape routes or grasslands and coconut plantations behind these. Therefore, the enforcement of educational programs, the setup and maintenance of effective warning systems and the adequate spatial allocation of coastal vegetation bringing tangible short and mid term benefits for local communities, as well as its adaption to local customs should be considered.Tsunamis können beim Erreichen besiedelter Landflächen schwerste Schäden an Menschen und Infrastruktur verursachen. Die Intensität eines Tsunamis an der Küstenlinie wird wesentlich von der Stärke des verursachenden Seebebens und der Bathimetrie des Meeresgrunds beeinflusst. An Land wird die Intensität der Wellen dann im Wesentlichen durch die Schwerkraft (als Funktion der Topographie) und Reibung (Funktion der Vegetation) abgeschwächt. Folglich wird die Pflanzung von Baumgürteln als Schutzschild gegen Tsunamis vielerorts gefördert, obwohl bisher keine quantitativen Belege für ihren tatsächlichen Nutzen bei großen Tsunamis vorliegen. In diesem Fall könnten Baumpflanzungen Bewohnern von Küstengegenden sogar ein trügerisches Gefühl von Sicherheit vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen verschiedener Landnutzungen auf Tsunamischäden an einigen durch den großen Tsunami von 2004 betroffenen Orten an der Westküste von Aceh, Sumatra, Indonesien, und den Seychellen untersucht. Mit Hilfe von orthogonal zur Küste verlaufenden Transsekten wurde der Einfluss der Küstenvegetation, insbesondere von Bäumen, auf die Auswirkungen des Tsunamis 2004 modelliert. Geostatistische Modelle (generalised linear mixed models - GLMM) wurden entwickelt, um den Einfluss verschiedener Vegetationstypen auf die Reichweite der Welle, sowie Opferzahlen und Schäden an Wohngebäuden, zu schätzen. In die Modelle flossen Topographie, Landnutzung und Werte des Reibungswiderstands verschiedener Landnutzungen, geschätzt aus Stammdurchmesser, Höhe und Planzdichte, ein. Mittels der GLMM wurde die Entfernung einer Siedlung zur Küste als wichtigster determinierender Faktor für Todesfälle und Schäden an Gebäuden durch den Tsunami ermittelt. Daneben zeigte sich jedoch auch, dass dichte Küstenvegetation zwischen Siedlungen und der Küste in Aceh die Anzahl der Todesfälle signifikant (im Durchschnitt um 5%) reduzierte. Im Gegensatz zu dem positiven Effekt der Küstenvegetation zwischen Siedlungen und der Küstenlinie wurden bei dichter Vegetation landeinwärts der Siedlungen erhöhte Opferzahlen und Schäden an Gebäuden festgestellt, was vermutlich auf den Transport von Trümmern in den ins Meer zurückströmenden Wellen zurückzuführen ist. Die Modelle, ursprünglich entwickelt für Aceh, wurden im Folgenden angepasst und auf die Auswirkungen desselben Tsunamis in den Seychellen getestet. Dort betrug die Intensität der Wellen ein Zehntel derer in Aceh und küstennahe Schutzwälle sowie Dünen verminderten die Auswirkungen des Tsunamis. Die angepassten Modelle ergaben keine direkten Auswirkungen der Küstenvegetation auf Tsunamischäden in den Seychellen, allerdings deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Schäden an Gebäuden durch Dünen reduziert werden konnten. Da die Dünen durch Vegetation wesentlich vor Erosion gesschützt werden, besteht hier zumindest eine indirekte Auswirkung der Pflanzendecke. Zusätzlich wurde für die Modelle im Fall Aceh ein weiterer Verbesserungsansatz getestet. Mit Hilfe hochauflösender Satellitenbilder aus verschiedenen Jahren vor dem Tsunami konnten verbesserte Reibungswiderstands-Koeffizienten entwickelt und anhand der existierenden Modelle getestet werden. Die neuen Koeffizienten führten allerdings nicht zu einer signifikanten Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Modelle, was jedoch teilweise auch ungünstigen Wetterverhältnissen zum Zeitpunkt der Luftaufnahmen und lückenhafter Datenlage geschuldet war.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass nachhaltige und effektive Maßnahmen zur Risikoverminderung in gefährdeten Küstenregionen verstärkt werden sollten. Dabei sollte die Entfernung der Siedlungen zum Meer als wichtigster Faktor für zukünftige Küstenschutzmaßnahmen berücksichtigt werden. Zusätzlich sollten mögliche direkte und indirekte Auswirkungen der küstennahen Vegetation berücksichtigt werden. Die Akzeptanz und Nachhaltigkeit solcher Maßnahmen kann nur erreicht werden, wenn Küstenvegetation nicht ausschließlich als Schutzschild, sondern als Teil der Lebensgrundlage der Bevölkerung dient. In der Praxis könnten zum Beispiel Kautschukplantagen oder Hausgärten zwischen Siedlungen und Küste angelegt werden, während hinter den Siedlungen Fluchtwege, Weiden und Kokosnussplantagen integriert werden könnten. Die Förderung von Schulungsprogrammen für die Bevölkerung, die Entwicklung effektiver Warnsysteme, und eine den örtlichen Begebenheiten angepasste räumliche Anordnung der Küstenvegetation können konkrete kurz- und mittelfristige Vorteile für die lokale Bevölkerung bringen
Rubber tree allometry, biomass partitioning and carbon stocks in mountainous landscapes of sub-tropical China
No full textInfrarot Spektroskopie und Enzymaktivitäts-Temperatursensitivität als experimentelle Proxies zur Reduktion der Parameterunsicherheit von Bodenkohlenstoffmodellen
No full textModels 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
Kopplung der Pyrolyse mit der Mittel-Infrarot-Spektroskopie zur Charakterisierung der organischen Bodensubstanz
No full textSoil organic matter (SOM) is known to play an important role in the global carbon cycle due to its ability to sequester atmospheric carbon dioxide (CO2) and maintenance of soil physical, chemical, and biological properties. Due to the growing need to enhance the understanding of SOM composition and dynamics as influenced by natural and anthropogenic factors, in addition to the limited ability to exist analytical techniques to provide in-depth knowledge into the constituents of SOM, a lot of research is currently focused on the development of new techniques to address the aforementioned concerns.
In this study, a novel analytical technique, pyrolysis coupled with mid-infrared spectroscopy (Py-MIRS) was developed and applied to study SOM bulk chemistry in soils by measuring certain mid-infrared organic functional groups. Secondly, the developed Py-MIRS technique was applied to soil samples from different long term experiments to investigate the effects of agricultural management practices and land uses by monitoring the different functional groups. Lastly, the implications of methodological considerations of diffuse reflectance Fourier transform mid-infrared spectroscopy (DRIFTS) on specific mid-infrared functional groups and quality indices were investigated on soils from a number of long-term field experiments. Py-MIRS was developed by testing critical experimental conditions like pyrolysis temperature, heating rate, and time using a range of reference standard compounds varying in chemical and structural composition and bulk soils. As a next step in the methodological development, the suitability of the newly developed Py-MIRS was further evaluated by testing the effect of long-term management and land use on the molecular composition of SOM in bulk soils taken from long-term field experiments in Ultuna, Sweden, and Lusignan, France.
The newly developed Py-MIRS technique and the evaluation of the effect of drying temperatures on peak areas obtained with DRIFTS demonstrate progress in the use of pyrolytic and spectroscopic techniques in the domain of SOM characterization. Py-MIRS revealed its potential as a rapid, reproducible, and effective technique to yield information on SOM molecular composition with minimal constraints due to mineral interferences and secondary thermal reactions. Py-MIRS also provided some insights into sustainable practices that improve SOM quality. However, the technique requires further development and testing on different clay mineralogies and land uses.Die organische Bodensubstanz (OBS) spielt aufgrund der Möglichkeit atmosphärisches CO2 zu speichern, sowie ihrem Beitrag zum Erhalt der physikalischen, chemischen und biologischen Bodeneigenschaften, eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Es besteht ein wachsender Bedarf die Zusammensetzung und Dynamiken von OBS zu verstehen, insbesondere wie diese durch natürliche und anthropogene Faktoren beeinflusst werden. Zudem sind die derzeit vorhandenen Analysetechniken zur Bestimmung der Zusammensetzung von OBS in ihrer Eignung begrenzt. Die Entwicklung neuer Techniken zur Untersuchung der OBS Zusammensetzung ist daher ein wichtiges Anliegen der Wissenschaft.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Analysetechnik, Pyrolyse gekoppelt mit Spektroskopie im mittleren Infrarot-Bereich (Py-MIRS), entwickelt und angewandt, mit dem Ziel die molekulare Zusammensetzung von OBS in Böden, durch die Messung bestimmter funktionaler organischer Verbindungen, zu bestimmen. In einem zweiten Schritt wurde die entwickelte Py-MIRS Technik zur Messung von Bodenproben verschiedener Langzeitversuche angewandt. Hierbei wurde der Effekt unterschiedlicher landwirtschaftlicher Praktiken und Landnutzungen, durch Monitoring funktionaler organischer Verbindungen, untersucht. Zuletzt wurden die Implikationen methodologischer Abschätzungen von Diffus-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie (DRIFTS) auf bestimmte funktionale organische Verbindungen und Qualitätsindexe auf Böden einer Reihe von Langzeitfeldversuchen erforscht.
Die entwickelte Py-MIRS Technik sowie die Erforschung des Effekts der Trockentemperatur auf DRIFTS Peakflächen markieren einen bedeutenden Fortschritt in der Nutzung pyrolytischer und spektraler Techniken im Bereich der OBS Klassifizierung. Py-MIRS zeigte Potential als schnelle, reproduzierbare und effektive Technik um Informationen über die molekulare Zusammensetzung von OBS, mit minimalen Einschränkungen aufgrund von Mineralinterferenz und sekundären thermischen Reaktionen, zu gewinnen. Zudem bot Py-MIRS Einblicke in nachhaltige Praktiken zur Verbesserung der OBS Qualität. Weitere Tests und eine Weiterentwicklung der Technik sind jedoch für Böden anderer Tonmineralogie sowie für andere Landnutzungen nötig
Verhältnis zwischen bodenphysikalischen Eigenschaften und Ernteerträgen in verschiedenen Anbausystemen im südlichen Kamerun
No full textCrop yields in sub-Saharan Africa (SSA) has been more or less stagnant since 1961. This can be connected to the traditional slash-and-burn agricultural based system. A growing population has forced most farmers to cultivate the same fields repeatedly. The resulting rapidly declining crop yields led eventually to an accelerated conversion of forest land into agricultural
land to cope with food demand. However, the integration of leguminous species, the use of fertilizer and tillage have been proven to increase yield especially in intensive cropping systems.
Although, depending on its frequency and kind, tillage can destroy soil aggregates resulting in degradation of soil organic matter. Else, it is known that improved crop varieties can be higher-yielding and more yield responsive to increased fertilizer application than traditional crop varieties.
Information is scarce on the effects of soil physical properties on plantain, maize and tomato yield formation and on their changes during their cropping phase. This study aimed at understanding the relationships between soil physical parameters and crop yields in different cropping systems in southern Cameroon with the goal to identify improved management strategies. This led to the setup of 4 experiments:
In a first experiment, the effects of soil physical properties on plantain yield were determined in a factorial trial in three southern Cameroonian villages comparing four cropping systems comprising two planted legumes (1) Flemingia macrophylla, (2) Pueraria phaseoloides, as well as (3) a crop, i.e. hot pepper, and (4) natural regrowth, all planted with plantain, established after conversion of old forest versus young bush fallow. Between 2002 and 2006, clay and silt content, MWD, GMD and the proportion of macroaggregates increased, whereas relative sand content, bulk density, the proportions of mesoaggregates and microaggregates decreased (not absolute decreased for sand content) in all villages, fallows and cropping systems. Changes of aggregate MWD and GMD were larger in the F. macrophylla and natural regrowth systems than in Pueraria systems. Plantain fresh bunch yield was 107 unaffected by village, fallow, and cropping systems. Plantain cultivation did not lead to a degradation of the determined soil physical properties.
In a follow up second trial at Mfou, it was evaluated, if maize cropped immediately after plantain was affected by the previous plantain systems and if tillage or N fertilizer would affect maize growth and grain yield and soil physical properties. In 2006, all plantain plots were cleared and split into 4 subplots, to assess the response of maize to tillage versus no–till,
and of 60 kg ha-1 of N as urea compared to no N in a 2 x 2 factorial design. Freshly cleared eight years old bush fallow served as control. Maize grain yield was highest in the previously not cropped bush control and lowest in the previous Flemingia system. Grain yield in the previous Pueraria and natural regrowth systems were not different from the control. Maize grain yield was highest, when tillage was combined with fertilizer application, being significantly higher than in individual tillage or fertilizer application treatments. Soil physical properties were affected by tillage but did not remain different until the end of the maize growing phase.
In a third experiment the response of different tomato cultivars to different cultivation practices in an on-farm factorial trial was tested at Essong Mintsang in the central region of Cameroon on a Rhodic Kandiudult. Treatments were: current farmer practice of manual tillage yet not destumped, with either reduced input (no tillage, not destumped) or increased input (no tillage yet destumped, manual tillage and destumped, mechanical tillage and destumped). Yields of three tomato varieties were determined to assess, if changes in intensity of land preparation can improve soil physical properties and thus yields. At harvest, across land preparations the cv. Rossol produced higher yields (8.12 Mg ha-1) than cv. Roma (6.05 Mg ha-1) and cv. Rio Grande (4.46 Mg ha-1). Tomato total and marketable yields were significantly higher on the destumped tractor till, destumped manual till and stumps-retained manual till treatments than in the stumps retained no-till treatment. Total fresh yields of cvs. Roma and Rossol increased, when the soil was tilled, while cv. Rio Grande had no response to land preparation. Soil aggregates were least stable in the destumped, tractor till treatment, with significantly lower MWD (p=0.02) and higher mesoaggregate proportions (p=0.05) than in the other treatments. Across tomato cultivars and treatments, the marketable fruit yield could be predicted by clay, macroaggregates and bulk density. Early flowering and fruit production combined with nematode resistance were probably the main contributing factors to the high yields of cv. Rossol.
108 In a fourth experiment, the residual effects of the previous land preparation methods on maize growth and yield as well as impacts on soil physical properties were assessed. Land preparation methods had been applied to the preceding tomato crop. At harvest, maize fresh cob yield was significantly (P<0.05) lowest in the stump retained no till treatment. The equivalent
maize dry grain yields varied from 2.35 Mg ha-1 in the stump retained no-till treatment to 4.16 and 4.33 Mg ha-1 in the manual till stump retained and destumped treatments, respectively.
Soil aggregates were the least stable in the destumped tractor till treatment, with significantly lower (P=0.10) GMD than in the destumped manual till treatment. Maize fresh cob yield showed a strong correlation (R2~0.50, P=0.037) with soil aggregation and cone resistance to soil penetration.
In summary, the transition from shifting to permanent cultivation with acceptable yields is possible if an appropriate combination of crops (cultivar), use of leguminous species, tillage and fertilizers is implemented. Soil physical properties can control crop yield and hence can be manipulated to maximise yield. Tillage can contribute to yield increase if there
is an adequate SOM content and a suitable crop cultivar is chosen. Yet, tillage is labour intensive and degrades soil physical properties. Therefore, it is crucial to identify a minimum tillage frequency for low labour demand and minimal soil degradation, but with improved yields in conjunction with optimised fertilization and the development of improved crop cultivars
adapted to a wide range of soil conditions.Die Ernteerträge in Subsahara-Afrika (SSA) stagnieren größtenteils seit 1961, teilweise bedingt durch das traditionelle Brandrodungs-System. Eine wachsende Bevölkerung hat die meisten Landwirte dazu gezwungen, die gleichen Felder wiederholt zu bebauen. Der daraus resultierende rasche Rückgang der Bodenfruchtbarkeit und der Ernteerträge führte letztendlich zu einer beschleunigten Umwandlung von Waldflächen zu Ackerland um die Nachfrage nach Lebensmitteln zu befriedigen. Allerdings wurde bereits nachgewiesen, dass die Integration von Hülsenfrüchten in die bestehenden Fruchtfolgen, die vermehrte Verwendung von mineralischen Düngemitteln und eine verbesserte Bodenbearbeitung eine wichtige Rolle bei der Erhöhung des Ertrags spielen, besonders bei intensiven Anbausystemen. Dennoch kann die Bodenbearbeitung je nach Häufigkeit und Art und Weise Bodenaggregate zerstören, was zu einem Abbau organischer Substanz im Boden führt. Auch ist bekannt, dass verbesserte Sorten höhere Erträge generieren können, sowie auf einen erhöhten Einsatz von Düngemitteln
besser reagieren als traditionelle Sorten. Zurzeit gibt es nur wenige Studien über die Auswirkungen der physikalischen Eigenschaften vom Böden auf die Erträge von Kochbananen, Mais oder Tomaten, sowie über deren Veränderungen während des Anbaus. Diese Studie zielte daher darauf ab, das Verhältnis zwischen physikalischen Parametern vom Böden und Ernteerträgen in verschiedenen Anbausystemen im südlichen Kamerun zu erfassen, um verbesserte Management-Strategien identifizieren zu können. In diesem Zusammenhang wurden
vier Experimente durchgeführt:
In einem ersten Experiment wurden in drei Dörfern in Südkamerun die Auswirkungen der physikalischen Eigenschaften des Bodens auf den Ertrag von Kochbananen bestimmt. Diese Studie verglich vier Kochbananen Anbausysteme, zwei mit Leguminosen – (1) Flemingia macrophylla, (2) Pueraria phaseoloides –, (3) zusammen mit scharfem Pfeffer (Capsicum sp.), und (4) natürlicher Wiederaufwuchs; alle Systeme gepflanzt direkt nach der Umwandlung des Regenwaldes oder nach jungem brachliegendem Buschland dominiert von Chromolaena odorata. Zwischen 2002 und 2006 hat in allen Dörfern, Brachen- und Anbausystemen der Gehalt an Ton und Schluff – MWD, GMD – und der Anteil von Makroaggregaten zugenommen, während der relative Sandgehalt, die Bodendichte, und die Proportionen von Meso- und Mikroaggregaten verringert wurden (nicht absolute verringert für Sandgehalt). Die Veränderungen der Aggregate MWD und GMD in den Systemen mit F. macrophylla und natürlichem Wiederaufwuchs waren größer als in den Pueraria Systemen. Der Ertrag von Kochbananen war vom jeweiligen Dorf, Brachen- oder Anbausystem unbeeinflusst. Der Anbau von Kochbananen hat zu keiner Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Bodens geführt.
In einer zweiten Folge-Studie in Mfou wurde untersucht, ob Mais, wenn er unmittelbar nach Kochbananen angebaut wurde, durch die vorherigen Anbausysteme beeinflusst wurde, und ob die Bodenbearbeitung oder die Verwendung von N-Düngern eine Auswirkung auf das Maiswachstum, den Kornertrag und die physikalischen Eigenschaften des Bodens haben. Im Jahr 2006 wurden alle Kochbananenpflanzen entfernt und die Felder in vier Parzellen unterteilt, um die Reaktion von Mais auf die konventionelle Bodenbearbeitung im Vergleich zu keiner Bodenbearbeitung zu bewerten, sowie die Reaktion auf 0 oder 60 kg N ha-1 Gabe in einem 2 x 2 Faktorendesign zu vergleichen. Eine geräumte Buschbrache von 8 Jahren diente als Kontrolle. Der Maiskornertrag war am höchsten in der zuvor nicht bestellten Buschbrachenkontrolle und am niedrigsten im vorherigen Flemingia-System. Der Kornertrag im vorherigen Pueraria und im natürlichen Wiederaufwuchs-System unterschied sich nicht von demjenigen der Kontrollparzelle. Der Maiskornertrag war am höchsten, wenn die Bodenbearbeitung mit Düngemitteln kombiniert war, und somit deutlich höher als bei den unabhängigen Behandlungen mit ausschließlicher Bodenbearbeitung oder Behandlung mit Düngemitteln. Die physikalischen Eigenschaften des Bodens wurden von der Bodenbearbeitung beeinflusst,haben sich aber erst zum Ende der Maiswachstumsphase verändert.
In einem dritten Experiment wurde auf der Basis einer On-Farm-Faktorenstudie in Essong Mintsang in der zentralen Region von Kamerun auf einem Rhodic Kandiudult die Reaktion verschiedener Tomatensorten auf verschiedene Anbauverfahren getestet. Die Verfahren waren wie folgt: aktuelle Bauernpraxis mit manueller Bodenbearbeitung ohne dem Entfernen von Baumstümpfen, entweder mit reduziertem Einsatz (keine Bodenbearbeitung – mit Baumstümpfen)oder mit erhöhtem Einsatz (keine Bodenbearbeitung – aber mit Entfernung der Baumstümpfe, manuelle oder maschinelle Bodenbearbeitung ohne Baumstöcke). Die Erträge der drei Tomatensorten wurden ermittelt, um zu bewerten, ob Veränderungen in der Intensität 111 der Landbearbeitung die physikalischen Eigenschaften des Bodens verbessern und damit auch den Ertrag. Bei der Ernte produzierte der Kultivar Rossol in Verbindung mit Landbearbeitung höhere Erträge (8.12 Mg ha-1) als Kultivar Roma (6.05 Mg ha-1) und Kultivar Rio Grande (4.46 Mg ha-1). Der gesamte marktfähige Tomatenertrag war deutlich höher bei der Traktoren-
Bodenbearbeitung und der manuellen Bodenbearbeitung mit jeweiligem Entfernen der Baumstümpfen und bei der manuellen Bodenbearbeitung unter Beibehaltung der Baumstümpfe, als bei den Verfahren ohne Bodenbearbeitung, die Stümpfe beibehielten. Die Gesamt-Erträge von cvs. Roma und Rossol wurden erhöht, im Zusammenhang mit der Bodenbearbeitung, während cv. Rio Grande auf die Landvorbereitung nicht reagierte. Die Bodenaggregate waren weniger stabil in dem Verfahren Traktoren-Bodenbearbeitung ohne Baumstümpfe, mit einem deutlich niedrigeren MWD (p=0.02) und höheren Mesoaggregaten-Proportionen (p=0.05) als in den anderen Verfahren. Über die verschiedenen Tomatensorten und Bearbeitungsverfahren konnte der marktfähige Früchteertrag durch den Gehal an Ton, Makroaggregaten und Bodendichte vorhergesagt werden. Die frühe Blüte und Frucht-Produktion, die mit der Widerstandsfähigkeit gegenüber Nematoden verbunden waren, waren wohl die wichtigsten Faktoren für den hohen Ertrag von cv. Rossol.
In einem vierten Experiment wurden die Nachwirkungen der früheren Landvorbereitungsmethoden auf das Maiswachstum, seinen Ertrag sowie deren Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens ausgewertet. Die Landvorbereitungsmethoden waren die gleichen wie bei dem vorherigen Tomatenanbauversuch. Bei der Ernte war der Konertrag von Mais im Verfahren ohne Bodenbearbeitung, die Baumstümpfe beibehielt, deutlich am niedrigsten (P<0.05). Die Erträge der äquivalenten trockenen Maiskörner variierten zwischen
2.35 und 4.16 Mg ha-1 im Verfahren ohne Bodenbearbeitung mit Baumstümpfen, beziehungsweise 4.33 Mg ha-1 im Verfahren mit manueller Bodenbearbeitung, die Baumstümpfe beibehielt, und mit manueller Bodenbearbeitung mit Entfernung von Baumstümpfen. Die Bodenaggregate waren am wenigsten stabil im Verfahren mit Traktoren-Bodenbearbeitung ohne Baumstümpfe, mit einem deutlich niedrigeren GMD (P=0.10) als in der manuellen Bodenbearbeitung mit Entfernung von Baumstümpfen. Der Ertrag von Mais zeigte eine starke Korrelation (R2~0.50 und P=0.037) zwischen der Bodenaggregation und dem Bodenpenetrationswiderstand
Die Entwicklung einer gekoppelten mittleren Infrarot-Spektroskopie und thermischer Analysemethoden für die Charakterisierung und Modellierung der Dynamik organischer Bodensubstanz in Ackerböden
No full textSoil organic matter (SOM) is a large part of the global carbon cycle both as a stock, as a source of fluxes (gaseous, dissolved, or sediments) to other stocks, and is also an important component of soil fertility and likewise plant productivity. Due to the growing need for additional data for both global studies related to climate change and soil fertility, additional information is needed not only on the total quantity of SOM, but its distribution within time and space and also its quality. In this study the use of mid-infrared spectroscopy in different applications was explored as an indicator of soil quality or composition, to measure the distribution of quality in different soils and fractions, and how these new methods could be used for SOM model parameterizations compared to other methods for both short and medium term model simulations. Firstly, certain mid-infrared active functional groups as measured with diffuse reflectance spectroscopy (DRIFTS) were studied in a long term fertilization experiment (Bad Lauchstädt) to ascertain the suitability of these different functional groups as indicators of the long term impacts of different fertilizer applications and also in various SOM fractions as separated by size-density approaches. Secondly, a coupled mid-infrared thermally evolved gas analysis was combined with in-situ monitoring of changes in vibrational functional groups to assign different qualities to different temperature ranges during a thermal oxidation experiment to 700 °C. Lastly, these two approaches were compared to traditional SOM fractionation as more rapid alternatives to parameterizing SOM pool sizes in the Century multi-compartment SOM model applied to arable soils at sites in the Kraichgau and Swabian Alb areas in Southwest Germany.
In the long-term experiment (Bad Lauchstädt) it was found that certain vibrational functional groups (i.e. aliphatic (2930 1/cm) and aromatic (1620 1/cm)) in bulk soil varied (P < 0.05) according to long-term farmyard manure (FYM) and/or mineral fertilizer application. The application of 30 Mg/ha every second year of FYM increased the proportion of aliphatics as compared to aromatics, while the opposite was true for the control treatment (without any mineral and FYM fertilizer). The ratio of the aromatic to aliphatic relative peak areas were found to be positively related to the ratio of stabilized (SOC in heavy density fractions and clay size fraction) to labile SOC (light density fraction). This indicated that this peak area ratio (aromatic to aliphatic) is an indicator for the relative contribution of stabile to labile SOM as a stability index.
In the next phase of the methodological development, evolved gas analysis (EGA) was used during a programmed heating of soil samples to 700°C to link EGA characteristics with SOM. An additional methodological step was the utilization of in-situ diffuse reflectance (in situT DRIFTS) measurements during heating as an indicator of the nature of SOM being decomposed at different temperatures. Thermal stability was found to be affected by experimental conditions and also sample type. The heating rate, amount of C in the sample, and volume of the sample in the heating chamber changed the rate and overall shape of the CO2 evolution curve and needed to be optimized when comparing different SOM fractions. In the long term experiment of Bad Lauchstädt, a decreasing thermal stability as measured by temperature of maximum CO2 evolution was found in the order from control > mineral fertilizer > manure > manure and mineral fertilizer. Furthermore, after a 490 day soil incubation at 20°C the thermal stability of SOC increased, but only slightly. In the in-situT DRIFTS method, the intensity of previously identified vibrational functional groups decreased (degraded) at different temperatures. The functional groups decreased in the order of aliphatic, alcoholic, and carboxylates, and at higher temperatures, also aromatic groups decreased. These findings were used as rules for fitting multiple peaks to the total evolved CO2 curve to derive SOM pools of different reactivity.
Pools derived from the measured fractions of mid-infrared functional groups (aliphatic, carboxylate/aromatic, aromatic), evolved gas analysis (CO2) fitted peaks (centered at 320, 380, 540°C), and size-density fractionation (particulate organic matter, heavy density fraction, silt and clay fraction) in addition to a long-term equilibrium model run, were used to parameterize the SOM pools of the Century model as implemented in the Land Use Change Assessment tool (LUCIA) and compared to measured soil surface CO2 fluxes and soil organic carbon (SOC) contents after 2 years. The best fits for the short term study were found to be the SOM fractionation DRIFTS and EGA pool initialization methods, but the differences over two years were very small for the three different parameterization methods and generally CO2 fluxes were underestimated. A 20 year simulation, keeping all rate constants the same, on the other hand, showed large changes in both the SOC (14 Mg/ha, 0 to 30 cm) and the distribution in the pools. As compared to the 2010 baseline SOC, the DRIFTS, EGA-1, and SOM fractionation methods were closest in the Kraichgau site, while the equilibrium method was closest in the Swabian Alb.
Overall, DRIFT mid-infrared spectroscopy showed its utility as a rapid assessment of the general distribution of stable to labile SOM in bulk soil. Additionally, when coupled with EGA and in-situ DRIFTS measurements, the integrated method can provide additional information during the thermal degradation of SOM during heating. All methods investigated found changes as a result of soil fertilization management, and between SOM fractions. Lastly, it was shown that such information can be used for direct SOM model inputs, although the methods should be tested on further land uses and soil types. These mid-infrared thermally coupled spectroscopic techniques represent an advance in the use of mid-infrared spectroscopy in the field of detailed SOM characterization for modeling SOM dynamics.Organische Bodensubstanz (OBS) hat als Kohlenstoffspeicher, sowie als Ursprung von Stoffflüssen (gasförmig, gelöst, oder als Sediment) zu anderen Speichern oder Prozessen, einen großen Anteil am globalen Kohlenstoffkreislauf und ist ein wichtiger Faktor der Bodenfruchtbarkeit und somit der pflanzlichen Produktivität . Auf Grund des steigenden Bedarfs an genaueren Daten für globale Studien zu Klimawandel und Bodenfruchtbarkeit werden zusätzliche Informationen, nicht nur für die Ermittlung der Gesamtmenge an OBS benötigt, sondern auch für dessen Verteilung in Raum und Zeit und zu dessen Qualität. In dieser Studie wurde die Verwendung der Spektroskopie im mittleren Infrarot-Bereich (MIR-Spektroskopie) als Indikator für Bodenqualität oder Bodenzusammensetzung für verschiedene Anwendungen untersucht, um somit die Verteilung der Beschaffenheit verschiedener Böden und Fraktionen zu messen und um zu erörtern wie diese neuen Methoden im Vergleich zu traditionellen Methoden für Kurz- und Langzeitsimulationen bei einer OBS-Modellparametisierung verwendet werden können. Als erstes wurden durch Diffus-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie (DRIFTS) bestimmte, im mittleren Infrarot aktive, funktionelle organische Gruppen in Bodenproben von einem Langzeitdüngungsexperiment (Bad Lauchstädt) untersucht, um die Eignung der verschiedenen schwingungsfähigen funktionellen Gruppen als Indikatoren für die langfristigen Auswirkungen verschiedener Düngebehandlungen, als auch deren Vorkommen in verschiedenen, mit Dichtefraktionierungsmethoden getrennten, OBS-Fraktionen festzustellen. Als zweites wurde eine gekoppelte MIR-Emissionsgasanalyse mit einem In-Situ-Monitoring kombiniert um bei einer thermischen Oxidation bis 700°C den in unterschiedlichen Temperaturbereichen auftretenden Veränderungen der schwingungsfähigen, funktionellen Gruppen bestimmte Eigenschaften zuordnen zu können. Schließlich wurden anhand von Ackerböden von Standorten in der Kraichgau und Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland beide Ansätze als effizientere Alternativen zu traditionellen OBS-Fraktionierungen zur Parametrierung von OBS-Poolgrößen im Century-OBS-Modell verglichen.
Das Langzeitexperiment (Bad Lauchstädt) hat gezeigt, dass bestimmter schwingungsfähige, funktionelle Gruppen (z.B. aliphatisch (2930 1/cm) und aromatisch (1620 1/cm)) sich je nach Langzeitapplikation von Stalldünger und/oder Mineraldünger im Boden unterscheiden (P < 0.05). Die Applikation von 30 Mg ha-1 Stalldünger alle zwei Jahre erhöhte den Anteil an Aliphaten gegenüber Aromaten, während das Gegenteil für die Kontrollbehandlung (ohne Mineraldünger oder Stallmist) gilt. Das Verhältnis der relativen Peakflächen der Aromaten zu dem der Aliphaten steht in positivem Zusammenhang zum Verhältnis von stabilem (organischer Bodenkohlenstoff (SOC) in schweren Dichtefraktionen und Tonfraktion) zu labilem SOC (leichte Dichtefraktion). Das ließ darauf schließen, dass das Peakflächenverhältnis (aromatisch zu aliphatisch) ein Indikator für den relativen Beitrag von stabilem zu unbeständigem OBS ist und somit als Stabilitätsindex dient.
In der nächsten Phase der methodischen Entwicklung, wurde die Emissionsgasanalyse (EGA) während einem programmierten Aufheizen von Bodenproben bis 700°C eingesetzt, um die Verbindung von EGA-Eigenschaften mit OBS zu untersuchen. Ein zusätzlicher Verfahrensschritt war die Verwendung der In-Situ Diffus-Reflexions (in situT DRIFTS) Messungen, als ein Indikator des Zersetzung der OBS s bei verschiedenen Temperaturen. Es wurde festgestellt, dass die thermische Stabilität sowohl durch die experimentellen Bedingungen als auch durch den Probentyp beeinflusst wurde. Die Aufheizgeschwindigkeit, die Menge C in der Probe und das Volumen der Probe in der Heizkammer veränderten die Geschwindigkeit und die Gesamtform der CO2-Emissionskurve und mussten für einen Vergleich der verschiedenen OBS Fraktionen optimiert werden. Auch bei dem Langzeitexperiment wurde anhand der gemessenen Temperatur, der maximalen CO2-Entwicklung, eine abnehmende thermische Stabilität in folgender Reihenfolge gefunden: Kontrolle > Mineraldünger > Stallmist > Stallmist und Mineraldünger. Es wurde auch festgestellt, dass sich nach einer 490 Tage dauernden Inkubation die thermische Stabilität geringfügig erhöhte. Bei der In-SituT DRIFTS Methode nahm die Intensität der zuvor identifizierten schwingungsfähigen funktionellen Gruppen bei verschiedenen Temperaturen ab. Zuerst verringerte sich die Intensität der aliphatischen, alkoholischen und Carboxylatgruppen, bei höheren Temperaturen auch bei aromatischen Gruppen. Diese temperaturabhängigen Veränderungen dienten der Identifizierung von mehreren Peaks unterschiedlicher Reaktivität auf der CO2-Kurve, aus denen sich verschiedene OBS-Modell-Pools ableiteten lassen.
Die von den gemessenen Fraktionen der funktionellen Gruppen im mittleren Infrarotbereich (aliphatisch, carboxyl/aromatisch, aromatisch), den angepassten Peaks der CO2-Emissionsgasanalyse (320°C, 380°C, 540°C), und von den Größen- und Dichtefraktionierung (partikuläre organischen Substanz, schwere Dichtefraktion, Schluff- und Tonfraktion) abgeleiteten Pools, wurden zusammen mit dem Langzeitlauf eines Gleichgewichtsmodells verwendet um die OBS-Pools des Century-Modells, welches Bestandteil des Modells zur Bewertung von Landnutzungsänderung (LUCIA) ist, zu parametrisieren und mit den an der Bodenoberfläche in zwei Jahren gemessenen CO2-Flüssen und der organischem Bodenkohlenstoffmenge verglichen. Der erfolgreichsten OBS-Modellpool-Parameterisierungsansätze für die Kurzzeitstudie waren die OBS-Fraktionierung zusammen mit den DRIFTS und EGA Pool-Initialisierungsmethoden. Die Unterschiede über zwei Jahre Laufzeit für die drei verschiedenen Parametrisierungsmethoden waren sehr klein und für gewöhnlich wurden die CO2-Flüsse unterschätzt. Andererseits hat eine Simulation über einen Zeitraum von 20 Jahren, bei Beibehaltung aller anderen Konstanten, große Veränderungen sowohl bei der Menge an SOC (14 Mg/ha, 0 bis 30 cm) als auch bei der Verteilung in den Pools gezeigt. Im Vergleich zur SOC-Basislinie von 2010, zeigten die DRIFTS, EGA-1 und OBS-Fraktionierungsmethoden für den Standort Kraichgau die größte Annäherung, während die Equilibrium-Methode für den Standort Schwäbische Alb am nächsten war.
Insgesamt zeigte die DRIFT MIR-Spektroskopie ihre Nützlichkeit als schnelle Bewertungsmethode für die allgemeinen Verteilung von stabiler zu unbeständiger organischen Substanz im Boden. Ergänzend kann diese Technik, zusätzliche Informationen zur thermischen Zersetzung von OBS beim Erhitzen liefern, wenn sie mit EGA und In-SituT DRIFTS Messungen gekoppelt wird. Alle untersuchten Methoden zeigten Veränderungen zwischen den OBS-Fraktionen als Folge des Bodendüngemanagements. Schließlich wurde gezeigt, dass diese Informationen für direkte OBS-Modelleingaben verwendet werden können, wobei die Methode aber auch noch für andere Landnutzungen und Bodenarten getestet werden sollte. Diese thermisch gekoppelten spektroskopischen Techniken im mittleren Infrarot stellen einen Fortschritt bei der Verwendung der MIR-Spektroskopie auf dem Gebiet der detaillierten OBS-Charakterisierung zur Modellierung von OBS-Dynamiken dar
Untersuchungen der Aktivität von Fusarium oxysporum, eines Mykoherbizids von Striga, dem Parasiten auf Hirse und Kontrollmöglichkeiten
Full text linkAmongst the factors that are a threat to food security in Africa, is the parasitic weed Striga hermonthica which affects mostly cereals that constitute the staple food for subsistence farmers, thus affecting the livelihood of millions of people. Popularly known as witchweed, attack due to S. hermonthica can completely destroy the yield of cereal crops. Efforts to combat Striga have had very limited success since farmers rarely adopt control methods due to the mismatch between technologies and farmers? socio-economic conditions. Being such a severe problem, an appropriated method for Striga management adapted for African farmers is very much needed. The use of soil-borne fungi for biocontrol is now being developed as an alternative to the use of chemicals considering the specificity of such fungi and the fact that most of the damage by Striga is done before its emergence. The fungus Fusarium oxysporum f.sp. strigae has been identified and shown to be effective and specific to S. hermonthica and S. asiatica but its mode of action is not yet well known. It is required that the mechanisms underlying the mycoparasitic process of this natural antagonistic agent be well understood before its use. Thus, studies on the effectiveness, specificity and timely colonization of Foxy 2 on S. hermonthica are necessary as well as studies on the effect of Foxy 2 in Striga-host plants which should demonstrate its non-pathogenicity to food crops. The objective of this study was therefore to investigate the mode of action of Foxy 2 in its target S. hermonthica and non-target Sorghum bicolor and also to examine the safety of the use of this mycoherbicide by evaluating its ability to produce toxins.
In the first part of the thesis, the ability of Foxy 2 to colonize sorghum roots and possibly shoots was investigated using light and transmission electron microscopy. The efficacy of Foxy 2 to cause death of S. hermonthica seedlings attached to Foxy 2 colonized sorghum roots was also evaluated. Microscopic investigations revealed that the intensity of root colonization by Foxy 2 increased with time and Foxy 2 could survive and colonize the sorghum rhizodermis, root hairs and cortical parenchyma up to four weeks after sowing. This behaviour is well adapted for Striga control as it corresponds to the peak of Striga seedling attachment. Hyphae were completely absent from the sorghum root central cylinder even after four weeks and also absent from the sorghum shoots up to 11 weeks after sowing indicating the non-pathogenity of Foxy 2 to sorghum. Furthermore, Foxy 2 was effective in controlling S. hermonthica by causing disease in 95% and 86% of S. hermonthica seedlings when coated on seeds of tolerant and susceptible sorghum cultivars respectively. Therefore, Foxy 2 could be combined with the tolerant sorghum variety in an integrated approach against S. hermonthica and S. asiatica.
The effect of Foxy 2 on various growth stages of S. hermonthica was investigated subsequently so as to understand the mechanisms of action of Foxy 2 within S. hermonthica in the real living complex between the mycoherbicide Foxy 2, the parasite S. hermonthica and its host sorghum. Light, scanning and transmission electron microscopy were used to evaluate the pattern of colonization and control of S. hermonthica seedlings and shoots by Foxy 2. Results showed that 26 days after sowing Foxy 2 coated sorghum seeds, all tissues of the young S. hermonthica seedlings attached to sorghum roots were completely degraded and destroyed by Foxy 2 including the haustorial intrusive cells, hyaline tissue, vessels, central xylem elements and Striga cortical parenchyma. Some S. hermonthica plants which attached to areas of the sorghum root which were not yet colonized by Foxy 2 (towards the root tips), were able to outgrow the fungus and emerged. In the emerged S. hermonthica shoots, hyphae had subsequently penetrated and colonized vessels clogging them over long distances and were identified up to the top of the plants. In some vessels there was an intensive blockage of the vessels by hyphae such that spaces or gaps were rare. Ultrathin sections showed that the diseased S. hermonthica shoots reacted to Foxy 2 invasion by forming an electron dense wall coating along the secondary vessel walls probably to prevent fungal digestion of the walls. The study thus identified two mechanisms by which Foxy 2 contributed to wilting and death of S. hermonthica which included complete digestion of underground S. hermonthica seedlings and hyphal clogging of vessels in emerged S. hermonthica plants which interfered with water conduction.
In order to understand the reactions of sorghum towards the presence of Foxy 2 as part of the risk assessment to ensure the safe use of this biocontrol agent, the action of Foxy 2 and a known pathogenic Fusarium species, F. proliferation, were compared in the fourth chapter. Sorghum roots were also wounded to expose the vascular system so as to investigate whether removal of the endodermal barrier could give access to Foxy 2 into the vessels which could lead to digestion resulting in wilting of the sorghum plants. The colonization processes of the two Fusaria species were quite different at all stages of growth. While F. proliferatum degraded the endodermis, invaded the central cylinder and digested the xylem parenchyma two weeks after sowing, Foxy 2 was restricted to the cortex even up to four weeks after sowing. Hyphae of Foxy 2 filled the intercellular spaces at the outer endodermal wall but could not penetrate the endodermis. Sorghum roots were observed to react to Foxy 2 invasion by reinforcing the central cylinder as seen by an increase in blue auto fluorescence especially of the endodermis. Five days after wounding and inoculating sorghum roots, Foxy 2 hyphae invaded the central cylinder very close to the cut but were completely absent from the central cylinder at a distance of 3000 µm from the cut, meanwhile F. proliferatum hyphae had digested the cells of the central cylinder at this distance. This indicated that not only the endodermis was a barrier but there could also be a physiological barrier within the central cylinder of the sorghum root which did not allow further spread of Foxy 2. Hence, exposure of the vascular system did not serve as a route for the invasion of Foxy 2 which therefore implied that it could not cause wilting of the plant.
In the last part of the thesis, S. hermonthica shoots were analyzed by HPLC-MS/MS to investigate the possible production of toxins by Foxy 2 to kill the plant. Amongst the toxins tested (beauvericin, fumonisins B1, B2, B3, C and P series, enniatins A, A1, B and B1, and moniliformin), only beauvericin (BEA) was detected to be produced by Foxy 2 in S. hermonthica shoots. The concentration of this toxin increased with increased infection e.g. 60 µg BEA/kg Striga shoot tissue (dry weight) were detected three weeks after emergence rising to 720 µg BEA/kg Striga shoot tissue after six weeks in the severely diseased S. hermonthica shoots. When beauvericin was applied on S. hermonthica shoots at concentrations of 50 µM, transmission electron microscopy showed that all cell types became necrotic. However, beauvericin as well as all the other toxins were not detected in sorghum grains harvested from sorghum plants which were hosts to the S. hermonthica plants and growing from Foxy 2 coated sorghum seeds. Given that some F. oxysporum strains were previously shown to be able to produce fumonisins which are among the toxins which have been reported to be of potential risks to human and animal health, a pure culture of Foxy 2 was evaluated for its fumonisin production ability. Results from real-time PCR using two specific primer pairs for the FUM1 gene (which is the key gene for fumonisin synthesis), were negative confirming that Foxy 2 was not able to produce fumonisins and might not be of major concern for human and animal health when used as a biocontrol agent in the field, therefore safe for use as a biocontrol agent.
To conclude, Foxy 2 showed potential to control S. hermonthica by completely destroying young underground stages and clogging vessels in aboveground stages, as well as producing the toxin beauvericin, both actions contributing to wilting of the plants. Its non-pathogenicity to sorghum and its inability to produce fumonisins could be seen as factors which make it well suited as a biocontrol agent. Further research needs to be done to evaluate its efficacy under field conditions and the impact of naturally occurring soil microorganisms and abiotic conditions on performance of Foxy 2 so as to understand its interactions with the environment and to optimize its efficacy.Zu den Faktoren, die die Nahrungssicherung in Afrika bedrohen, gehört das parasitische Unkraut Striga hermonthica, das speziell das Getreide der Landwirte schädigt, die in Subsistenzwirtschaft leben. Somit wird der Lebensunterhalt von Millionen Menschen negativ beeinflusst. Bei einem starken Befall kann das Unkraut S. hermonthica, auch ?witchweed? genannt, zum vollständigen Getreideertragsverlust führen. Bemühungen Striga zu bekämpfen, hatten bisher sehr begrenzten Erfolg, da die Landwirte selten die geeigneten Bekämpfungsmethoden anwenden können, da solche Technologien mit den Sozioökonomischen Umständen der Landwirte oft nicht vereinbar sind. Daher ist eine für einen afrikanischen Bauern geeignete Methode für Striga-Management notwendig. Angesichts des Lebenszyklus von S. hermonthica bietet sich die Anwendung pathogener Pilze als Alternative zur Anwendung von Chemikalien an. Dafür sprechen die Wirtsspezifität solcher Pilzarten sowie die Tatsache, dass ein Großteil der Schädigung durch Striga bereits vor dem Auflaufen erfolgt. Zwar wurde der Pilz F. oxysporum f.sp. strigae identifiziert und als wirksam und spezifisch für S. hermonthica charakterisiert, aber die Mechanismen seiner Vorgehensweise und Wirkung sind noch weitgehend unbekannt. Es ist für die Anwendung notwendig, die dem mykoparasitischen Prozess zugrundeliegenden Mechanismen eines natürlich entgegenwirkenden Erregers zu verstehen. Daher sind Studien zur Wirksamkeit, Spezifizität und spontanen Kolonisation von Foxy 2 auf S. hermonthica, sowie Untersuchungen zur pathogenen Wirkung von Foxy 2 auf Striga-Wirtspflanzen notwendig. Ziel dieser Studie war daher das Verhalten von Foxy 2 auf S. hermonthica und Sorghum bicolor zu untersuchen, aber auch die Sicherheit bei der Anwendung dieses Mykoherbizides zu erforschen, in dem die Fähigkeit zur Toxinproduktion bewertet wird.
Im ersten Teil (Kapitel II) wurde die Fähigkeit von Foxy 2 Sorghumwurzeln und möglicherweise Sprosse zu kolonisieren mit Hilfe von Licht- und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Ebenso wurde die Wirksamkeit von Foxy 2 bewertet, mit der es zu einem Absterben von S. hermonthica Jungpflanzen kommt, welche Sorghumwurzeln befallen die mit Foxy 2 kolonisiert wurden. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass sich die Intensität der Wurzelkolonisation durch Foxy 2 mit der Zeit erhöhte und Foxy 2 dabei noch bis vier Wochen nach dem Säen überleben konnte und Sorghum-Rhizodermis, Wurzelhaare und kortische Parenchyme kolonisieren konnte. Dies ist von Vorteil bei der Bekämpfung von Striga, da dieser Zeitpunkt dem Höhepunkt im Befall durch Striga Jungpflanzen entspricht. Hyphen waren auch noch vier Wochen nach der Saat im Zentralzylinder der Sorghumwurzel und bis zu 11 Wochen nach der Saat im Sorghum Schössling nicht vorhanden. Dies weist darauf hin dass Foxy 2 gegenüber Sorghum kein Pathogen darstellt. Darüber hinaus war Foxy 2 effektiv bei der Bekämpfung von S. hermonthica, da es bei 95% bzw. 86% der Jungpflanzen von S. hermonthica Erkrankungen verursachte, wenn das Saatgut von toleranten bzw. anfälligen Sorghum Sorten mit Foxy 2 umhüllt wurde. Foxy 2 kann daher mit der toleranten Sorte von Sorghum in einem integrierten Ansatz gegen Striga kombiniert werden.
Die Wirkung von Foxy 2 auf unterschiedliche Wachstumsphasen von S. hermonthica wurde im zweiten Teil untersucht, um das Verständnis der Verhaltensmechanismen von Foxy 2 innerhalb des lebenden Systems zwischen dem Mykoherbizid Foxy 2, dem Parasit S. hermonthica und seinem Wirt Sorghum zu verbessern. Licht-, Scan- und Transmissionselektronenmikroskopie wurden verwendet, um die Art des Befalls und den Einfluss auf Keimlinge und Schösslinge von S. hermonthica durch Foxy 2 zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Gewebe der Jungpflanzen von S. hermonthica (an Sorghumwurzeln) 26 Tagen nach der Aussaat von mit Foxy 2 umhülltem Saatgut vollständig abgeschwächt und zerstört wurden, einschliesslich der intrusiven Zellen, den Haustorien der Hyalingewebe, der Gefäße der Zentralxylemelemente und des Rindenparenchyms. Einige Pflanzen von S. hermonthica, die sich in der Umgebung der Wurzelspitzen von noch nicht mit Foxy 2 kolonisierten Sorghumwurzeln angeheftet hatten, konnten dem Pilz entwachsen und sich entwickeln. In einigen Gefäßen solcher Strigapflanzen war eine intensive massenhafte Hyphenbesiedelung zu finden, die über weite Strecken das Leitsystem der Sprösslinge bis in die Sprossspitzen fast vollständig verstopften und zur Welke der Schösslinge beitrugen. Ultradünnschnitte zeigten, dass die erkrankten Schösslinge von S. hermonthica auf den Eingriff von Foxy 2 reagiert haben indem sie eine elektronendichte Wand (wahrscheinlich zur Vermeidung einer Zersetzung der Wände durch den Pilz) entlang der sekundären Gefäße bildeten. Die Studie identifizierte daher zwei Mechanismen wodurch Foxy 2 zum Welken und Absterben von S. hermonthica beigetragen hat. Zum einen die komplette Zersetzung der noch unterirdischen Keimlinge von S. hermonthica und zum anderen die durch Hyphenbefall der Gefäße gestörte Wasserversorgung von S. hermonthica.
Zur Risikobewertung dieser Pflanzenschutzanwendung wurde im vierten Kapitel die Reaktion von Sorghum auf die Anwensenheit von Foxy 2 untersucht, in dem das Verhalten von Foxy 2 mit dem eines bekannten Fusarium Pathogens, F. proliferatum verglichen wurde. Zudem wurde an Sorghumwurzeln, bei denen das Gefäßsystem freigelegt wurde untersucht, ob die Entfernung der Endodermisbarierre das Eindringen von Foxy 2 in die Gefäße erleichtert, so dass eine Zersetzung stattfindet die zum Welken der Sorghumpflanze führt. Die Infektionsprozesse beider Pilzarten unterschieden sich in allen Wachstumsphasen grundlegend. Während F. proliferatum das Endoderm zersetzte, in den Zentralzylinder eindrang und das Xylem-Parenchym zwei Wochen nach dem Säen zersetze verblieb Foxy 2 bis zu vier Wochen nach der Aussaat in der Rinde. Hier verblieben die Hyphen von Foxy 2 in den Interzellularräumen außerhalb der Endodermis, während die Sorghumwurzeln mit einer Verstärkung des Zentralzylinders auf das Eindringen von Foxy 2 reagierten, wie durch den Anstieg der Autofloureszenz der Endodermis im blauen Bereich gezeigt werden konnte. Fünf Tage nach einer artifiziellen Infektion und der Inokulation der Sorghumwurzel haben Foxy 2 Hyphen den Zentralzylinder nahe dem Auschnitt befallen, waren jedoch in einer Entfernung von 3000 µm im Zentralzylinder nicht nachzuweisen, wohingegen F. proliferatum-Hyphen die Zellen des Zentralzylinders bis zu dieser Entfernung bereits zersetzt hatten. Dies zeigt, dass nicht nur die Endodermis eine Barriere darstellte, sondern auch eine physiologische Barriere innerhalb des Zentralzylinders der Wurzel existieren könnte, die eine weitere Ausbreitung von Foxy 2 verhinderte. Deshalb konnte das freigelegte Gefäßsystem von Foxy 2 nicht als Infektionsweg genutzt werden, was zur Folge hatte dass die infizierte SorghumPflanze kein Welken zeigte.
Im letzten Teil der Arbeit wurde mithilfe der HPLC-MS/MS Schösslinge von S. hermonthica auf eine mögliche Produktion von Toxinen durch Foxy 2 untersucht, die zum Absterben der Wirtspflanzen führen könnten. Bei den untersuchten Toxinen (Beauvericin, Fumonisine der B1, B2, B3, C und P Serie, Enniatin A, A1, B und B1, und Moniliformin) wurde festgestellt, dass Beauvericin in den Schösslingen von S. hermonthica von Foxy 2 produziert wurde. Die Konzentration dieses Toxins stieg mit steigender Infektionsintensität. So wurden drei Wochen nach dem Auflaufen der Striga Sprosse 60 µg BEA/kg Trochengewicht festgestellt, nach sechs Wochen in den schwer geschädigten Schösslingen dagegen 720 µg BEA/kg Trochengewicht. Als Gaben von Beauvericin in Konzentrationen von 50 µM auf die Schösslinge von S. hermonthica untersucht wurden, zeigte sich im transmissionselektronenmikroskopischen Befund, dass alle Zellarten nekrotisch waren. Weder Beauvericin noch die anderen Toxine wurden in den geernteten Getreidekörnen, welches von Sorghum Pflanzen stammt, die von S. hermonthica befallen waren und welche aus mit Foxy 2 umhüllten Saatgut angezogen wurden, festgestellt. Da Fumonisin zu den für Menschen und Tiere gesundheitschädlichsten Toxinen gezählt wird, wurden Reinkulturen von Foxy 2 auf die Fähigkeit zur Fumonisinproduktion getestet, indem die PCR-Methode untersucht wurde, ob das wichtigste Gen der Fumonisinsynthese (FUM1) anwesend war. Die Anwendung von zwei spezifischen Primerpaaren zeigte negative Ergebnisse so, dass gefolgert wurde, dass Foxy 2 Fumonisin nicht produzieren kann, und daher als ungefährlich im Einsatz als Pflanzenschutzmittel angesehen wird.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Foxy 2 das Potenzial hat den Befall durch S. hermonthica zu kontrollieren, indem es die jungen noch unterirdischen Pflanzen völlig zerstört und in den oberirdischen Pflanzen die Gefäße verstopft, wo auch das Toxin Beauvericin produziert wird. Beides führt zum Welken der Pflanze. Aufgrund der fehlenden Pathogenität gegenüber Sorghum, sowie der fehlenden Möglichkeit Fumonisin zu produzieren, kann Foxy 2 als geeignetes Pflanzenschutzmittel angesehen werden. Weitergehende Untersuchungen müssen die Eignung von Foxy 2 unter dem Einfluss natürlicher Bodenmikroorganismen und abiotischen Faktoren im Freiland zeigen, um die Interaktion mit der Umwelt zu verstehen und die Wirkung zu optimieren
Substanzspezifisches 13C-Fingerprinting für die Zuordnung von Sedimentquellen in intensiv bewirtschafteten Wassereinzugsgebieten
No full textThe loss of fertile topsoil due to soil degradation and erosion not only threatens crop productivity, but also induces sedimentation of aquatic systems and leads to social-, economical-, and environmental problems in many regions of the world. The abandonment of shifting cultivation in favor of intensive mono-cultural cropping systems on sloping land accompanied by rainfall detachment and surface runoff induced soil erosion is one of the most pressing environmental and agricultural problems in the highlands of Southeast Asia. Informed soil management strategies require knowledge on the main sediment sources in a catchment. Compound-specific stable isotope (CSSI) fingerprinting, based on δ13C values of fatty acid methyl ester (FAME), allows identifying hot-spots of soil erosion, particularly with regard to assigning sediment sources to actual land uses. In this regard, we assessed the potential of the CSSI – fingerprinting approach to assign sediment sources to specific land use types in various intensely cultivated catchments. In a first step we improved the statistical procedure to identify sediment sources in a heterogeneous agricultural catchment in the mountainous northwestern region of Vietnam. In a next step we tested the CSSI-fingerprinting under different agro-ecological conditions to evaluate its global applicability, using an aligned protocol. Finally, we integrated CSSI-fingerprinting and fallout radio nuclide (FRN, 210Pbex, 137Cs) analysis to estimate past net erosion rates linked to land use types. In conclusion, the integrated Bayesian SIAR-CSSI approach was an appropriate tool to identify and assign sediment sources to actual land uses in small and heterogeneous catchments. This methodology was also suitable to identify hot-spots of soil erosion in contrasting catchments of different sizes and agro-ecological zones. Integrating CSSI-fingerprinting and fallout radio nuclide analysis to determine past sediment budgets provided insight into the impact of specific land use changes on soil retrogression and degradation. Such knowledge is of great value for informed and effective soil conservation through evidence-based land management and decision making.Der Verlust von fruchtbarem Oberboden durch Bodendegradation und -erosion bedroht nicht nur die Pflanzenproduktivität, sondern führt auch zur Sedimentierung von aquatischen Systemen und führt in vielen Regionen der Welt zu sozialen, ökonomischen und ökologischen Problemen. Der Verzicht auf Wanderfeldbaus zugunsten intensiver monokultureller Anbausysteme auf Hangflächen, begleitet von durch Niederschlag verursachte, oberflächennaher Bodenerosion, ist eines der drängendsten Umwelt- und Agrarprobleme im Hochland Südostasiens. Fundierte Strategien für Bodenmanagement erfordern Kenntnisse über die wichtigsten Sedimentquellen in einem Einzugsgebiet. Das substanzspezifische Stabilisotopen (CSSI) Fingerprinting-Verfahren, basierend auf den δ13C-Werten von Fettsäuremethylester (FAME), ermöglicht die Identifizierung von Hotspots der Bodenerosion, insbesondere im Hinblick auf die Zuordnung von Sedimentquellen zu tatsächlichen Landnutzungen. In diesem Zusammenhang haben wir das Potenzial des CSSI-Fingerprinting-Verfahrens untersucht, um Sedimente spezifischer Landnutzungsarten in verschiedenen, intensiv kultivierten Einzugsgebieten zuzuordnen. In einem ersten Schritt haben wir das statistische Verfahren zur Identifizierung von Sedimentquellen in einem heterogenen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet im gebirgigen Nordwesten Vietnams verfeinert. Im nächsten Schritt testeten wir das CSSI-Fingerprinting-Verfahren unter verschiedenen agrarökologischen Bedingungen, um dessen globale Anwendbarkeit unter Verwendung eines einheitlichen Protokolls zu bewerten. Schließlich integrierten wir CSSI-Fingerprinting und Fallout-Radionuklidanalyse (FRN, 210Pbex, 137Cs), um vergangene Nettoerosionsraten in Verbindung mit Landnutzungstypen zu schätzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der integrierte Bayessche-SIAR-CSSI-Ansatz ein geeignetes Instrument zur Identifizierung und Zuordnung von Sedimentquellen zu tatsächlichen Landnutzungen in kleinen und heterogenen Einzugsgebieten war. Diese Methodik war auch geeignet, Hot Spots der Bodenerosion in kontrastierenden Einzugsgebieten unterschiedlicher Größe und agrarökologischer Zonen zu identifizieren. Die Integration von CSSI-Fingerprinting-Verfahrens und Fallout-Radionuklid-Analyse zur Bestimmung früherer Sedimentbudgets ermöglichte Einblicke in die Auswirkungen spezifischer Landnutzungsänderungen auf Bodenregression und -degradation. Dieses Wissen ist von großem Wert für einen fundierten und effektiven Bodenschutz durch evidenzbasiertes Landmanagement und Entscheidungsfindung
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