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Kornertrag von Weizen unter dem Einfluss von einzelnem oder kombiniertem Hitze- und Trockenstress während verschiedener Wachstumsstadien unter besonderer Berücksichtigung der Source/Sink-Beziehungen

Weltweit wird mit Anstieg der Temperaturen und abnehmendem Wasserangebot gerechnet, was Depressionen in der Pflanzenproduktivität zur Folge hat. Im Feld treten beide Stressoren gleichzeitig auf, jedoch ist über ihren kombinierten Einfluss auf Pflanzen bisher wenig bekannt. Das Kornertragspotential von Weizen, einer relativ Hitze-empfindlichen Pflanze, wird durch drei Parameter bestimmt: Anzahl ährentragender Halme pro Pflanze bzw. pro Fläche, Kornzahl pro Ähre und Einzelkorngewicht. Diese Parameter werden zu den folgenden Wachstumsstadien spezifisch beeinflusst: Bestockung, Schossen, Blüte und Kornfüllung. Somit müssen verschiedene Phasen der Weizenentwicklung untersucht werden, um die entscheidenden Determinanten für die Kornertragsbildung unter Stress zu identifizieren. Bisher konzentrierten sich die meisten Studien auf die Kornfüllungsphase, Untersuchungen zu einzelnen und insbesondere kombinierten Effekten von Hitze- und Trockenstress während des vegetativen Wachstums und zur Blüte sind rar. Unsere vorausgegangene Studie zeigte, dass unter kontinuierlichem Hitzestress die Anzahl an ährentragenden Halmen pro Weizenpflanze stark zunahm. Dieses Potential zur Ertragsstabilisierung konnte nur teilweise ausgeschöpft werden, da der Kornansatz stark reduziert war. Die angelegten Körner zeigten jedoch eine gute Kornfüllung. Source-Limitierung trat nicht auf, aber die Sinkkapazität war reduziert (weniger und kleinere Körner) und vermutlich auch die Sinkaktivität. Dies erfordert weitere Untersuchungen der beteiligten Enzyme, insbesondere der Sauren Invertase, der Plasmalemma H+-ATPase, und der Stärke-Synthase. Im beantragten Projekt wird individueller oder kombinierter Hitze- und Trockenstress zu zwei Weizensorten entweder während des vegetativen Wachstums, zur Blüte oder während der Kornfüllung appliziert. Außerdem werden die Einflüsse von kurzzeitigem Trockenstress während des vegetativen Wachstums auf die Kornertragsentwicklung von während der Blüte gestressten Pflanzen untersucht, und die Fähigkeit der Weizenpflanzen sich nach Stress zu erholen wird ausgewertet. Source- und Sinkstärke werden durch die Untersuchung zahlreicher Parameter charakterisiert, entweder durch Messungen an lebenden Pflanzen oder durch Analysen verschiedener Pflanzenorgane, die in Ernten zum Stadium der Kornfüllung oder zur Vollreife gewonnen werden. Dieses Projekt adressiert die wichtige Frage: welches ist der limitierende Faktor für die Kornertragsbildung, wenn Pflanzen während verschiedener Wachstumsstadien Stress ausgesetzt sind. Diese Kenntnis trägt dazu bei, Merkmale der Resistenz gegen Hitze bzw. Dürre zu identifizieren und kann in Züchtungsprogrammen zur Erhöhung der Ertragsstabilität unter Stress genutzt werden. Die Wasser- und Nährstoffnutzungseffizienzen können verbessert werden, was dem Schutz begrenzter Ressourcen dient und eine nachhaltige Weizenproduktion fördert.

Das Anpassungspotenzial der Phänologie von Weizen an den Klimawandel

Das Wachstum und die Erträge von Weizen sind durch eine Veränderung der Dürre- und Hitzewellen, infolge des Klimawandels, beeinträchtigt. Eine Kombination aus Hitze- und Trockenstress kann sich zusätzlich auf die höheren Durchschnittstemperaturen direkt negativ auf die Phänologie der Pflanzen auswirken. Es werden keine alten und modernen Weizensorten auf das Vorhandensein oder das Potenzial von phänologischer Plastizität (PP) untersucht, um Überschneidungen zwischen den sensiblen Phasen und den extremen Hitze und Trockenheit zu vermeiden. Zudem gibt es nur wenige Informationen darüber, a. Ob die phänologische Plastizität (PP) als Escape-Mechanismus in alten Winterweizensorten, die in Deutschland unter Trocken- und Hitzestress angebaut werden, vorhanden sind oder ob es sich um eine neue Eigenschaft handelt b. Ob die Pflanzenmodelle die langfristigen Raum und zeitliche Variabilität des Weizenertrags erfassen können, indem der PP-Mechanismus als neues Modellierungsmodul implementiert wird c. Ob die Änderung der Sorte, der Aussaattermine integraler Bestandteile und die Anpassung an dem Klimawandel für die Weizenproduktion in Deutschland sein könnten. Diese Wissenslücken werden durch eine Reihe von Experimenten im Feld und in der Wachstumskammer (Hitze- und Trockenstress), durch langfristige Datenverarbeitung, Modellentwicklung und Experimente zur Modellierung von Kulturen geschlossen. Winterweizensorten (alte und moderne) werden den Feld- und Kammerversuchen unterzogen, um die Mechanismen zu entschlüsseln, die an ihrer phänologischen Reaktion auf den kombinierten Hitze- und Trockenheitsstress beteiligt sind. Auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine neue Erntemodellierungsroutine entwickelt, die Hitze-/Trockenstress berücksichtigt. Die Validierung des Erntemodells wird anhand von Feldversuchen erfolgen. In dem deutschlandweiten Simulationsexperiment werden wir die neue Modellierungsroutine nutzen, um die Variabilität der Phänologie und des Ertrags von Winterweizen zu erfassen. Die Daten werden mit den langfristigen Phänologie Beobachtungen und Ertragsstatistiken verglichen. Daraus wird die Eignung langfristiger Änderungen von Sorten und Aussaatterminen als Anpassungsstrategie an den Klimawandel anhand von acht Modellrekonstruktionen getestet. Die Kombinationen aus historischem/aktuellem Klima - alten/modernen Sorten - historischem/modernerem Aussaattermin von Winterweizen enthalten.

Untersuchung umweltschonender, Traktor betriebener Unkrautbekämpfungsgeräte unter Berücksichtigung nachhaltiger Antriebstechnologien

Motivation: Die Landwirtschaft muss sich an die Klimaveränderungen anpassen. In der Pflanzenproduktion ist hierfür die reduzierte Bodenbearbeitung und Direktsaat in Kombination mit Mulchschichten aus Pflanzenresten eine Möglichkeit. Darüber hinaus wird gefordert, chemische Pflanzenschutzmittel zu reduzieren, u.a. in der Unkrautbekämpfung. Die mechanische Unkrautbekämpfung gewinnt daher an Bedeutung, ist aber häufig nicht kompatibel mit einer reduzierten Bodenbearbeitung mit großen Mulchauflagen. In der Regel ist auch der Einfluss des Bodenbearbeitungssystems auf den Leistungsbedarf der Geräte ungeklärt. Zukünftig werden mehr Unkrautbekämpfungsverfahren benötigt, die unabhängig von den Bodeneigenschaften sind. Obwohl die Landwirtschaft Leidtragende der Klimaveränderung ist, trägt sie gleichzeitig dazu bei. Unter anderem Traktoren und Landmaschinen emittieren klimaschädliches CO2. Diese direkten Emissionen könnten für die Leistungsklasse <70 kW durch den Einsatz batterieelektrischer Traktoren entfallen, welche besonders für den Antrieb nicht-chemischer Unkrautbekämpfungsgeräte geeignet sind. Ziele/Mehrwert: Es sollen technologische und arbeitswirtschaftliche Daten in der chemiefreien Unkrautbekämpfung im Zusammenhang mit batterieelektrischen und verbrennungsmotorischen Traktoren ermittelt und bewertet werden. Der Einfluss einer nicht-wendenden im Vergleich zu einer wendenden Bodenbearbeitung auf die Fahrbahnbedingungen und damit auf die Zugleistungsübertragung des Traktors sowie auf die Leistungsanforderungen der Geräte bei der Unkrautbekämpfung soll ermittelt werden. Zusätzlich werden die Einsatzbedingungen auf Dauergrünland berücksichtigt. Mit diesen Daten sollen schließlich Einsatzszenarien simuliert werden können, um neue Erkenntnisse hinsichtlich der Anpassung von Arbeitsabläufen, der zeitlichen und räumlichen Energiebereitstellung und der Dimensionierung von Elektrotraktoren und deren Energiespeichern zu gewinnen. Methodik: Die Versuchsobjekte sind ein dieselmotorischer und ein elektrischer Traktor mit Wechselbatterien. Hinzu kommen vier Unkrautbekämpfungsgeräte für Ackerkulturen und Grünland, welche je nach Gerätetyp den Traktor über den Fahrantrieb, die Zapfwelle oder die Hydraulik bzw. in einer Kombination davon belasten. Die Art des Produktionsverfahrens (wendende, nichtwendende Bodenbearbeitung und Grünland) ist der Einflussfaktor. Zunächst wird die Leistungscharakteristik beider Traktoren untersucht. Dann wird der Leistungsbedarf der Geräte untersucht und auf die Arbeitsbreite bzw. Arbeitseinheit normiert. Für die arbeitswirtschaftliche Untersuchung werden zwei Gruppen gebildet. Gruppe eins stellt der batterieelektrische Traktor und Gruppe zwei der Referenztraktor jeweils mit den Geräten dar. Beide Gruppen werden unter realen und simulierten landwirtschaftlichen Bedingungen arbeitswirtschaftlich untersucht. Das Vorhaben nutzt eigene Geräte und Versuchsflächen.

Nutzung von Lignocellulosereichen Substraten zur Biogas- und Faser, bzw. Cellulosegewinnung mittels innovativer Verfahren

Eine Substitution fossiler durch biogene Rohstoffe für stoffliche Anwendungen ist ein maßgeblicher Schritt zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emissionen. Dabei sollte Biomasse im Sinne der Bioökonomie möglichst ganzheitlich und effizient genutzt werden, um die Flächeneffizient und den Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu maximieren. Die hochwertige Verwendung von bisher kaum genutzten landwirtschaftlichen Reststoffen ist eine vielversprechende Methode zur Effizienzsteigerung. Die stoffliche Nutzung von Agrarreststoffen ist allerdings problematisch. Biogene Stoffe haben stets eine schwankenden Produktqualität. Deshalb ist eine Vorbehandlung und Auftrennung der Reststoffe auf verwertbare Bestandteile notwendig und ein entscheidender Schritt für die Weiternutzung. Deutschland und Taiwan stellen zwei Technologieführer mit hohem Umweltbewusstsein in ihrer jeweiligen Klimazone dar. Deutschland befindet sich in der gemäßigten Klimazone, während Taiwan sich in der (sub-)tropischen Klimazone befindet. Besonders vielversprechende landwirtschaftliche Reststoffe, die sich für eine stofflich Nutzung eignen und daher untersucht werden sollen, sind in der gemäßigten Klimazone Getreidestroh und in der (sub-)tropischen Klimazone Kakao- und Bananenschalen, sowie Reisstroh. Zudem fallen Tomatenpflanzenreste in beiden Klimazonen an. Im angestrebten Projekt wird der landwirtschaftliche Reststoff zunächst in einem hydrothermalen Aufbereitungsverfahren aufgeschlossen, um die anaerob kaum abzubauenden Fasern von den sehr gutvergärbaren Bestandteilen zu trennen. Dies wird in Deutschland mittels Thermodruckhydrolyse realisiert und in Taiwan mittel Überkritischer Wassermethode. Anschließend folgt eine Auftrennung in einem Flüssig/Fest-Separator. Der faserreiche Feststoff soll als Torfersatzprodukt und als Substrat zur mikrobiellen Zelluloseproduktion genutzt werden. Torf findet insbesondere im Gartenbau Anwendung, da er diverse Vorteile besitzt. Allerdings bildet sich Torf in Mooren nur sehr langsam und zur Gewinnung müssen die CO2-bindende Moore entwässert werden. Im Projekt soll untersucht werden in wie weit die produzierten Fasern Torf ersetzen können. Ein zweiter zu untersuchender Ansatz im Projekt ist es die Feststofffraktion als Nährmedium für Bakterienkulturen zu verwenden, die gezielt mikrobielle Zellulose produzieren. Die Flüssigkeit soll mithilfe innovativer zweistufiger Biogasanlage energetisch genutzt werden soll. Die Nutzung der Organik zur Biogasproduktion soll die Prozessenergie der energieintensiven Aufbereitung bereitstellen. Der TS-Gehalt der flüssigen Fraktion ist sehr gering, was bei herkömmlichen volldurchmischten Reaktoren eine lange Verweilzeit und somit ein sehr großes Reaktorvolumen verursacht. Um diese Nachteile zu reduzieren, sollen im Projekt zweistufige Reaktorsysteme untersucht werden. Während in Taiwan beide Fermenter volldurchmischt betrieben werden, wird in Deutschland der Methanreaktor als Festbettfermenter ausgeführt.

Aufklärung des funktionellen Mechanismus von Bor-Benzoxazinoid Assoziationen in Mais (Zea mays L.)

Der Mikronährstoff Bor ist essentiell für das Wachstum von Pflanzen und wird vor allem in der reproduktiven Phase von Pflanzen benötigt. Ein Mangel dieses Nährstoffs wirkt sich folglich negativ auf viele Wachstumsparameter aus, unter anderem auf den Ertrag vieler Nutzpflanzen, inklusive Mais. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der Borhomöostase in Mais sind bislang nicht vollständig geklärt. Mittels genom-weiter Assoziationsstudien und Mutantenanalysen, konnten wir eine genetische Variation des Bor-Gehalts in Kolbenblättern mit dem Benzoxazinoid-Biosynthese Pathway in Mais korrelieren. Benzoxazinoide sind spezialisierte Metabolite, die gegen ein breites Spektrum von Pflanzenschädlingen wirken. Der Benzoxazinoid-Biosynthese Pathway ist in Mais vollständig aufgeklärt, wurde aber bisher nicht mit Bor assoziiert. Das vorgeschlagene Projekt beschäftigt sich mit der Aufklärung des funktionellen Mechanismus der zugrundeliegenden Assoziation. Dazu wird zum einen gezielt der Einfluss spezifischer Benzoxazinoid-Pathway Gene und Intermediate auf Bortransportprozesse untersucht. Des Weiteren werden ungerichtete Transkriptomstudien durchgeführt. Zusätzlich wird evaluiert, ob der Benzoxazinoid-Biosynthese Pathway genutzt werden kann, um Maiswachstum und -ertrag unter Bormangelbedingungen zu erhalten.

Modellierung von Lüftungsraten und Luftströmungsmustern von freibelüfteten Schweineställe mit Außenauslauf

Freigelüftete Schweineställe mit Ausläufen (NVPBOYs) werden weltweit mit zunehmendem Interesse verfolgt. Der Luftwechsel zwischen Außen- und Innenbereich von NVPBOY ist kaum verstanden, weshalb Emissionen und die Ausbreitung von Aerosolen derzeit nicht abgeschätzt werden können. Ziel des Antrags ist es, grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich des Einflusses von Öffnungsgröße, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, Lebendmasse und dem Aufenthaltsort der Schweine im Stall auf die Lüftungsrate und die Innenraumströmungsmuster von NVPBOYs zu erhalten. Im Projekt wird die Drei-Säulen-Modell-Methode, bestehend aus Windkanalexperimenten, On-Farm-Messungen und numerischer Strömungsdynamik, genutzt. Zur Modellierung der Lüftungsrate der NVPBOYs wird die Response-Surface Methode eingesetzt. Das Projekt wird grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Lüftungsrate, Innenraumströmungen und ihren Einflussfaktoren bei NVPBOYs liefern. Dies ermöglicht eine genaue Quantifizierung der Lüftungsrate in Abhängigkeit von baulichen und klimatischen Randbedingungen sowie dem Tierverhalten. Die erwarteten Forschungsergebnisse sind eine Grundlage für die Sicherstellung eines guten Stallklimas, für die Abschätzung der Emissionen und für das Verständnis des Gas- und Aerosoltransports für die Schweine unter verschiedenen Randbedingungen.

Verbessertes Prozessverständnis und Quantifikation von Lachgasflüssen in einer typischen deutschen Fruchtfolge

Lachgas (N2O) ist ein starkes Treibhausgas (THG). Die Landwirtschaft verursacht in Deutschland 7,4% der THG-Emissionen, wovon 40,2% auf N2O Emissionen aus Böden zurückgehen. Das Verständnis der Mechanismen, die für diese Emissionen verantwortlich sind, und die Quantifizierung der N2O-Flüsse sind entscheidend für die Entwicklung effektiver und gezielter Minderungsstrategien. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Verbesserung des mechanistischen Verständnisses von N2O-Flüssen eines landwirtschaftlichen Bodens unter einer für Deutschland typischen Fruchtfolge (Weizen, Zuckerrübe, Gerste) unter praxisüblicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung. Wir postulieren, dass ein multidisziplinärer Ansatz, der hochauflösende Messungen von N2O-Flüssen, N2O-Isotopenstudien und metagenomische Analysen kombiniert, ein umfassendes Verständnis der Mechanismen ermöglicht, die zu Produktion und Verbrauch von N2O im Boden führen. Konkret werden wir die zeitliche und räumliche Variabilität der N2O-Flüsse untersuchen (Arbeitspaket - AP1), die wichtigsten Einflussfaktoren identifizieren (Klima, Boden, Bewirtschaftung; AP2) und die für N2O-Flüsse verantwortlichen Mechanismen untersuchen (AP3). N2O-Flüsse werden dabei kontinuierlich (zwei Jahre lang) mit der Eddy-Kovarianz-Methode gemessen (30 Minuten Messintervall) um die zeitliche Variabilität der N2O-Flüsse abzubilden. Parallel dazu werden die N2O-Flüsse mit geschlossenen Kammersystemen gemessen. Diese Messungen dienen als Referenz und erlauben die Bewertung der räumlichen Variabilität der N2O-Flüsse (AP1). Um die wichtigsten Einflussfaktoren auf N2O-Flüsse zu identifizieren, werden weiterhin die Beziehungen zu möglichen THG-wirksamen Faktoren untersucht (AP2). Um die Mechanismen von N2O-Emissionen genauer zu untersuchen, werden wir Isotopensignaturen des emittierten N2O analysieren und metagenomische Studien durchführen, um die Häufigkeit der Gene zu bestimmen, die an N2O-Produktion bzw. Verbrauch im Boden beteiligt sind (AP3). Mit den kombinierten Eddy-Kovarianz- und Kammermessungen, der Identifikation der Treiber für N2O-Emissionen und der kombinierten Analyse von Isotopensignaturen mit an N2O-Produktion und Verbrauch beteailigten Genen wird ein einzigartiger, multidisziplinärer Datensatz für die untersuchte Fruchtfolge produziert. Dieser wird entscheidend dazu beitragen, das mechanistische Verständnis von N2O-Flüssen aus landwirtschaftlichen Böden zu vertiefen, deren zeitliche und räumliche Variabilität zu verstehen und N2O-Flüsse künftig präziser quantifizieren zu können. Die gewonnenen Daten sind für die Entwicklung und das Testen prozessbasierter Modelle bestens geeignet und eröffnen neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Strategien zur Minderung der landwirtschaftlichen THG-Emissionen.

Nichtinvasive Detektion von Mikroplastikpartikeln im Boden - Analyse der Auswirkungen von Mikroplastik auf Bodenaggregate, Wurzeln und Infiltrationsverhalten

Weltweit werden Böden zunehmend mit Plastikmüll belastet. Der kontinuierliche Eintrag von Mikroplastik beeinflusst Lebensbedingungen von Pflanzen und Bodenorganismen. Bislang verstehen wir nur unzureichend, wie sich die Anwesenheit von Mikroplastik auf Struktur und Funktionsweise des Bodens auswirkt. Es ist unklar, wie stark die Rhizosphäre dadurch beeinflusst wird und welche Risiken sich daraus für die Pflanzen ergeben. Inzwischen gibt es verschiedene Analyseverfahren, um unterschiedliche Aspekte der Mikroplastikverschmutzung des Bodens zu untersuchen. Allerdings beinhalten diese Verfahren üblicherweise Prozessschritte, bei denen die Integrität der Probe zerstört wird, wodurch sich der Zusammenhang zwischen der Verteilung von Mikroplastik in der Probe und der Mikrostruktur und Hydraulik des Bodens nicht mehr erschließen lässt. Vor kurzem haben wir jedoch einen nicht-invasiven Ansatz entwickelt, mit dem Mikroplastik in sandigen Böden nachgewiesen werden kann. Mittels komplementärer Neutronen- und Röntgentomographie lassen sich Mikroplastikpartikeln im trockenen Boden detektieren und gleichzeitig die dreidimensionale Struktur der Bodenmatrix analysieren. In diesem Projekt wird die Methode getestet, optimiert und dann angewandt, um besser zu verstehen, wie Mikroplastik unterschiedlicher Größe und Form die Mikrostruktur und Eigenschaften des Bodens beeinflusst. Außerdem wird untersucht, ob in die Rhizosphäre eingelagertes Mikroplastik die Bedingungen für das Wurzelwachstum und die Wasseraufnahme verändert und welchen Einfluss Mikroplastik unterschiedlicher Größe und Form auf die Infiltration und Wasserbewegung im Boden hat. Zunächst wird die Auflösung der Methode optimiert, um auch sehr feine Strukturen, wie Mikroplastikfasern und Folienfragmente, detektieren zu können. Die Segmentierung der 3D Bilddaten wird durch die Berücksichtigung von Form-Deskriptoren sowie durch Maschinelles Lernen unterstützt, um Mikroplastikpartikeln von organischen Bodenbestandteilen zu unterscheiden. In einem Aggregationsexperiment mit wird für einen natürlichen Sandboden der Einfluss von Mikroplastikfasern auf die Bildung und Stabilität von Bodenaggregaten mittels hochauflösender Dual-mode Tomographie analysiert. Im nächsten Schritt wird die Rhizosphäre junger Mais- und Lupinenpflanzen untersucht, um potentielle Einflüsse verschieden geformter Mikroplastikpartikel auf lokale Strukturen der Bodenmatrix, Wurzeln und Wasserpfade zu ermitteln. Schließlich werden wir High-Speed Neutronentomographie einsetzen, um dynamischen 3D-Infiltrationsmuster in Bodensäulen mit und ohne Wurzelsysteme zu erfassen. Die Form und Geschwindigkeit der Wasserfront wird zeigen, ob und wie die Bodenbenetzbarkeit durch eingelagerte Mikroplastikpartikel beeinflusst wird. Das vorgeschlagene Projekt wird einzigartige neue Einblicke in die durch Mikroplastik modifizierte Struktur der Bodenmatrix geben, die für das mechanistische Verständnis der resultierenden Bodeneigenschaften gebraucht werden.

Grundständige Analyse der Weizenqualität im Sinne der Verbesserung der Stickstoff-Nutzungseffizienz

Die Kornprotein-Konzentration ist das wichtigste Qualitätsmerkmal für die Beurteilung der Backqualität bei Brotweizen. Um möglichst hohe Kornprotein-Konzentrationen zu erreichen, werden in der Anbaupraxis hohe Stickstoff-Gaben aufgewendet. Jedoch ist dies mit einem Risiko für hohe N-Verlusten in die Umwelt, die zu negativen Umweltbelastungen führen, verbunden. Bei modernen Weizensorten könnte aber das Backvolumen stärker durch die Kornprotein-Zusammensetzung als durch die Kornprotein-Konzentration beeinflusst sein. Besonders zeigen manche Genotypen eine nicht-lineare Beziehung zwischen Kornprotein-Konzentration und Backvolumen mit einer Nicht-Zunahme des Backvolumens ab einer Konzentration von etwa 11 %, wohingegen andere eine lineare Beziehung aufweisen. Das vorliegende Projekt hat zwei Teile. Im ersten Teil soll untersucht werden welche Veränderungen der Kornprotein-Zusammensetzung durch N-Düngung zu einer Erhöhung oder Verminderung des Backvolumens führen. Dazu soll ein zweijähriger Feldversuch mit neun Genotypen, die in vorherigen Studien eine lineare oder nicht-lineare Beziehung zwischen Kornprotein-Konzentration und Backvolumen zeigten, und vier N-Düngestufen von N-Mangel bis hin zu übermäßigen Versorgung durchgeführt werden. U.a. sollen die Fragen beantwortet werden: (i) Wie verändert eine Steigerung der N-Düngung den Anteil am Kornprotein und die Zusammensetzung von Gliadin, Glutenin und Glutenin-Makropolymer? (ii) Ist die Zunahme des Backvolumens wesentlich eine Folge der Veränderung der Kornprotein-Zusammensetzung? und (iii) Welche Veränderung der Kornprotein-Zusammensetzung führt zu einer Nicht-Zunahme des Backvolumens im oberen Bereich der Kornprotein-Backvolumen-Kurve? Der zweite Projektteil soll untersuchen wie stark bei Genotypen mit nicht-linearer Kornprotein-Backvolumen-Beziehung ohne Verlust an Ertrag und Backvolumen die N-Spätdüngung vermindert und dadurch die N-Nutzungseffizienz gesteigert werden kann.

Verbesserung von großflächigen mechanistischen Ertragssimulationen durch Entflechtung von Genotyp × Umwelt × Managementfaktoren

Eine zuverlässige Vorhersage von landwirtschaftlichen Erträgen ist für Landwirte, Behörden und Entscheidungsträger in einer Vielzahl von thematischen Institutionen von großem Interesse. Mechanistische Simulationsmodelle wurden entwickelt, um das komplexe System der Wechselwirkung zwischen Pflanzen, Boden und Atmosphäre zu beschreiben, das auch die Entwicklung von Ernteerträgen umfasst. Theoretisch sollten solche Modelle in der Lage sein, den Ertrag jeder einzelnen Kulturpflanze in jedem Winkel der Welt zu simulieren, da die zugrunde liegende Physik überall auf diesem Planeten gilt. Modellvergleichsstudien haben jedoch gezeigt, dass keines der vielen Modelle dieser Erwartung gerecht wird. Zwei Hauptgründe werden für diese Beobachtung verantwortlich gemacht: (i) die Beschreibung der Prozesse, die für das Verhalten des Systems in den Modellen verantwortlich sind, ist unvollständig oder fehlerhaft, und (ii) die Informationen, die die Modelle verwenden, um zu einer Vorhersage zu gelangen, sind unzureichend oder nicht genau genug. Die Zahl der Anwendungen von Simulationsmodellen in einem Raster-Design für Ertragsvorhersagen über große zusammenhängende Gebiete nimmt zu, aber eine angemessene Validierung fehlt derzeit. Bei der Kalibrierung zur bestmöglichen Reproduktion dieser beobachteten Ertragsmuster bleibt unklar, ob die zugrunde liegenden Prozesse und ihre repräsentativen Zustandsvariablen ebenso gut simuliert werden. Die Tatsache, dass für die überwiegende Mehrheit der landwirtschaftlichen Felder in Deutschland keine Informationen über Sorten, Düngepläne und feinräumige Bodeninformationen verfügbar sind, schränkt das Potenzial der Verwendung von Simulationsmodellen für Ertragsvorhersagen ein. In diesem Projekt wird vorgeschlagen, Simulationsmodelle zur inversen Schätzung einiger der Eingangsparameter und treibenden Variablen zu verwenden, indem beobachtete Ernteerträge auf einer feinen Skala und zusätzliche Informationen verwendet werden, die die inverse Parameterschätzung einschränken. Unter Verwendung eines mehrjährigen und multilokalen Datensatzes von Winterweizenerträgen für 100 Kacheln mit einer Größe von 10 × 10 m², die von Multisensor-Satellitenbildern auf einer Skala von 10 m begleitet werden, schlägt dieses Projekt vor, (i) die derzeitigen Grenzen von AEMs für die genaue Reproduktion von beobachteten Winterweizenerträgen in Deutschland zu untersuchen, (ii) die interne Validität von drei AEMs bei der Reproduktion dieser Erträge zu verbessern und (iii) Prioritäten für die weitere Forschung zur Verbesserung zukünftiger Ertragsvorhersagen unter Verwendung von AEM zu identifizieren. Die übergreifende Hypothese ist, dass die Genauigkeit aktueller mechanistischer Agrarökosystemmodelle bei der blinden Simulation von Winterweizenerträgen über den Boden-Klima-Raum in Deutschland hauptsächlich durch unzureichende Informationen über Genotyp × Umwelt × Bewirtschaftung und nicht durch die Modellstruktur begrenzt ist.

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