Root-induced increases in soil pH and nutrient availability to field-grown cereals and legumes on acid sandy soils of Sudano-Sahelian West Africa

A field experiment with millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata L.) and groundnut (Arachnis hypogeae L.) was conducted on severely P-deficient acid sandy soils of Niger, Mali and Burkina Faso to measure changes in pH and nutrient availability as affected by distance from the root surface and by mineral fertiliser application. Treatments included three rates of phosphorus (P) and four levels of nitrogen (N) application. Bulk, rhizosphere and rhizoplane soils were sampled at 35, 45 and 75 DAS in 1997 and at 55 and 65 DAS in 1998. Regardless of the cropping system and level of mineral fertiliser applied, soil pH consistently increased between 0.7 and two units from the bulk soil to the rhizoplane of millet. Similar pH gradients were observed in cowpea, but pH changes were much smaller in sorghum with a difference of only 0.3 units. Shifts in pH led to large increases in nutrient availability close to the roots. Compared with the bulk soil, available P in the rhizoplane was between 190 and 270% higher for P-Bray and between 360 and 600% higher for P-water. Exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) levels were also higher in the millet rhizoplane than in the bulk soil, whereas exchangeable aluminium (Al) levels decreased with increasing pH close to the root surface. The results suggest an important role of root-induced pH increases for crops to cope with acidity-induced nutrient deficiency and Al stress of soils in the Sudano-Sahelian zone of West Africa.

Nitrogen use efficiency and optimization of nitrogen fertilizer application for stable yields and high quality of cereals grown in conservation agriculture

In most agroecosystems, nitrogen (N) is the most important nutrient limiting plant growth. One management strategy that affects N cycling and N use efficiency (NUE) is conservation agriculture (CA), an agricultural system based on a combination of minimum tillage, crop residue retention and crop rotation. Available results on the optimization of NUE in CA are inconsistent and studies that cover all three components of CA are scarce. Presently, CA is promoted in the Yaqui Valley in Northern Mexico, the country´s major wheat-producing area in which from 1968 to 1995, fertilizer application rates for the cultivation of irrigated durum wheat (Triticum durum L.) at 6 t ha-1 increased from 80 to 250 kg ha-1, demonstrating the high intensification potential in this region. Given major knowledge gaps on N availability in CA this thesis summarizes the current knowledge of N management in CA and provides insights in the effects of tillage practice, residue management and crop rotation on wheat grain quality and N cycling. Major aims of the study were to identify N fertilizer application strategies that improve N use efficiency and reduce N immobilization in CA with the ultimate goal to stabilize cereal yields, maintain grain quality, minimize N losses into the environment and reduce farmers’ input costs. Soil physical and chemical properties in CA were measured and compared with those in conventional systems and permanent beds with residue burning focusing on their relationship to plant N uptake and N cycling in the soil and how they are affected by tillage and N fertilizer timing, method and doses. For N fertilizer management, we analyzed how placement, time and amount of N fertilizer influenced yield and quality parameters of durum and bread wheat in CA systems. Overall, grain quality parameters, in particular grain protein concentration decreased with zero-tillage and increasing amount of residues left on the field compared with conventional systems. The second part of the dissertation provides an overview of applied methodologies to measure NUE and its components. We evaluated the methodology of ion exchange resin cartridges under irrigated, intensive agricultural cropping systems on Vertisols to measure nitrate leaching losses which through drainage channels ultimately end up in the Sea of Cortez where they lead to algae blooming. A throughout analysis of N inputs and outputs was conducted to calculate N balances in three different tillage-straw systems. As fertilizer inputs are high, N balances were positive in all treatments indicating the risk of N leaching or volatilization during or in subsequent cropping seasons and during heavy rain fall in summer. Contrary to common belief, we did not find negative effects of residue burning on soil nutrient status, yield or N uptake. A labeled fertilizer experiment with urea 15N was implemented in micro-plots to measure N fertilizer recovery and the effects of residual fertilizer N in the soil from summer maize on the following winter crop wheat. Obtained N fertilizer recovery rates for maize grain were with an average of 11% very low for all treatments.

Mechanisms of residue mulch-induced cereal growth increases in West Africa

The use of crop residues (CR) has been widely reported as a means of increasing crop yields across West Africa. However, little has been done to compare the magnitude and mechanisms of CR effects systematically in the different agro-ecological zones of the region. To this end, a series of field trials with millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench], and maize (Zea mays L.) was conducted over a 4-yr period in the Sahelian, Sudanian, and Guinean zones of West Africa. Soils ranged in pH from 4.1 to 5.4 along a rainfall gradient from 510 to 1300 mm. Treatments in the factorial experiments were three CR rates (0,500, and 2000 kg ha^-1)and several levels of phosphorus and nitrogen. The results showed CR-induced total dry matter (TDM) increases in cereals up to 73% for the Sahel compared with a maximum of 16% in the wetter Sudanian and Guinean zones. Residue effects on weakly buffered Sahelian soils were due to improved P availability and to a protection of seedlings against wind erosion. Additional effects of CR mulching on topsoil properties in the Sahel were a decrease in peak temperatures by 4°C and increased water availability. These mulch effects on soil chemical and physical properties strongly decreased from North to South. Likely explanations for this decrease are the decline of dust deposition and wind erosion hazards, the higher soil clay content, lower air temperature, and a faster decomposition rate of mulch material with increasing rainfall from the Sahel to the Sudanian and Guinean zones.

Cereal/legume rotations affect chemical properties and biological activities in two West African soils

A more widespread use of cereal/legume rotations has been suggested as a means to sustainably meet increasing food demands in sub-Saharan West Africa. Enhanced cereal yields following legumes have been attributed to chemical and biological factors such as higher levels of mineral nitrogen (Nmin) and arbuscular mycorrhizae (AM) but also to lower amounts of plant parasitic nematodes. This study was conducted under controlled conditions to examine the relative contribution of AM, plant parasitic nematodes and increased nitrogen (N) and phosphorus (P) availability to cereal/legume rotation effects on two West African soils. Sample soils were taken from field experiments at Gaya (Niger) and Fada (Burkina Faso) supporting continuous cereal and cereal/legume rotation systems and analysed for chemical and biological parameters. Average increases in cereal shoot dry matter (DM) of rotation cereals compared with continuous cereals were 490% at Gaya and 550% at Fada. Shoot P concentration of rotation millet was significantly higher than in continuous millet and P uptake in rotation cereals was on average 62.5-fold higher than in continuous cereals. Rotation rhizosphere soils also had higher pH at both sites. For the Fada soil, large increases in Bray1-P and organic P were observed in bulk and rhizosphere soils. Plant parasitic nematodes in roots of continuous cereals were 60–80-fold higher than in those of rotation cereals. In both cropping systems mycorrhizal infection rates were similar at 37 days after sowing (DAS) but at 57 DAS AM infection was 10–15% higher in rotation sorghum than in continuous sorghum. This study provides strong evidence that cereal/legume rotations can enhance P nutrition of cereals through improved soil chemical P availability and microbiologically increased P uptake.

Causes of legume-rotation effects in increasing cereal yields across the Sudanian, Sahelian and Guinean zone of West Africa

On-farm experiments and pot trials were conducted on eight West African soils to explore the mechanisms governing the often reported legume rotation-induced cereal growth increases in this region. Crops comprised pearl millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum (Sorghum bicolor Moench), maize (Zea mays L.), cowpea (Vigna unguiculata Walp.) and groundnut (Arachis hypogaea L.). In groundnut trials the observed 26 to 85% increases in total dry matter (TDM) of rotation cereals (RC) compared with continuous cereals (CC) in the 4th year appeared to be triggered by site- and crop-specific early season differences in nematode infestation (up to 6-fold lower in RC than in CC), enhanced Nmin and a 7% increase in mycorrhizal (AM) infection. In cowpea trials yield effects on millet and differences in nematode numbers, Nmin and AM were much smaller. Rhizosphere studies indicated effects on pH and acid phosphatase activity as secondary causes for the observed growth differences between RC and CC. In the study region legume-rotation effects on cereals seemed to depend on the capability of the legume to suppress nematodes and to enhance early N and P availability for the subsequent cereal.

Soil organic carbon management for sustainable land use in Sudano-Sahelian West Africa

Judged by their negative nutrient balances, low soil cover and low productivity, the predominant agro-pastoral farming systems in the Sudano-Sahelian zone of West Africa are highly unsustainable for crop production intensification. With kaolinite as the main clay type, the cation exchange capacity of the soils in this region, often less than 1 cmol_c kg^-1 soil, depends heavily on the organic carbon (Corg) content. However, due to low carbon sequestration and to the microbe, termite and temperature-induced rapid turnover rates of organic material in the present land-use systems, Corg contents of the topsoil are very low, ranging between 1 and 8 g kg^-1 in most soils. For sustainable food production, the availability of phosphorus (P) and nitrogen (N) has to be increased considerably in combination with an improvement in soil physical properties. Therefore, the adoption of innovative management options that help to stop or even reverse the decline in Corg typically observed after cultivating bush or rangeland is of utmost importance. To maintain food production for a rapidly growing population, targeted applications of mineral fertilisers and the effective recycling of organic amendments as crop residues and manure are essential. Any increase in soil cover has large effects in reducing topsoil erosion by wind and water and favours the accumulation of wind-blown dust high in bases which in turn improves P availability. In the future decision support systems, based on GIS, modelling and simulation should be used to combine (i) available fertiliser response data from on-station and on-farm research, (ii) results on soil productivity restoration with the application of mineral and organic amendments and (iii) our present understanding of the cause-effect relationships governing the prevailing soil degradation processes. This will help to predict the effectiveness of regionally differentiated soil fertility management approaches to maintain or even increase soil Corg levels.

Use of digital camera to assess nitrogen status of winter wheat in the Northern China Plain

The most widely used methods to assess the nitrogen (N) status of winter wheat (Triticum aestivum L.) are the determination of plant total N by combustion, the testing of nitrate in the leaf tissue and the use of SPAD readings. However, due to their labor requirements or high costs these methods can hardly be applied to the huge wheat growing areas of the Northern China Plain. This study therefore examined an alternative method to measure the N status of wheat by using a digital camera to record the visible green light reflected from the plant canopy. The experiment was conducted near Beijing in a multi-factorial field trial with three levels of N. The intensity of green light reflected from the wheat canopy was compared to the total N concentration, to the nitrate concentration of the basal stem, and to the SPAD readings of leaves. The results show significant inverse relationships between greenness intensity, canopy total N, and SPAD readings at booting and flowering. At booting, sap nitrate <2000mgL^-1 was inversely related to greenness intensity and to sap nitrate concentration in the basal stem. At sap nitrate ~2000mgL^-1, the greenness intensity reached a plateau. At booting and flowering, significant inverse relationships between greenness intensity and shoot biomass were found. The results show the potential of the new method to assess the N status of winter wheat.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Nuclear charge radii from X-ray transitions in muonic atoms of carbon, nitrogen and oxygen

Energies of muonic X-rays of the K-series of carbon, nitrogen and oxygen have been measured with an accuracy of about 15 eV. Root mean square radii of the nuclear charge distributions were deduced. The results 2.49±0.05 fm for carbon, 2.55 ±0.03 fm for nitrogen and 2.71 ±0.02 fm for oxygen are in good agreement at comparable accuracy with recent electron scattering data.

Biofilmbildung bei Pflanzen-assoziierten Bakterien der Gattung Methylobacterium und molekulargenetisch-physiologische Charakterisierung eines neuen Marchantia-Isolats (Mtb. sp. JT1)

Bakterien existieren bevorzugt in Biofilmen. Das Zusammenleben in diesen Gemeinschaften bietet den einzelnen Mikroben einen wirksamen Schutz und ermöglicht die Ausbildung langfristiger, synergistischer Wechselwirkungen, die mit multizellulären Systemen verglichen werden können. Biofilme bestehen aus Mikrooganismen-Populationen, die sich an Grenzflächen ansammeln und typischerweise von einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen umgeben sind. Auch auf Pflanzen-Oberflächen bilden viele Bakterien Biofilme, um ihre Überlebenswahrscheinlichkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde die Biofilmbildung bei Pflanzen-assoziierten Bakterien der Gattung Methylobacterium (Mtb.) untersucht, wobei molekular- und mikrobiologische sowie mikroskopische Techniken eingesetzt wurden. Es zeigte sich, dass alle untersuchten Vertreter der Gattung Methylobacterium in unterschiedlichem Ausmaß Biofilme bilden. Die Ausprägung ist dabei Taxon (bzw. Isolat)-spezifisch und vor allem von der Stickstoff-Verfügbarkeit abhängig. Jedoch spielen auch andere Umweltfaktoren, wie die Versorgung der Zellen mit Phosphat und die Zelldichte, bei der Ausbildung der überzellulären Einheiten eine wichtige Rolle. Die Matrix der Biofilme wird meist durch ein fibrilläres Netzwerk gebildet. Dabei handelt es sich um Heteropolysaccharide, die von den Bakterien synthetisiert und sezerniert werden. Einige Isolate bilden zusätzlich zahlreiche Fimbrien (Auswüchse), durch die sie an andere Zellen oder Oberflächen binden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden mehrere neue Methylobacterium-Isolate physiologisch und molekulargenetisch charakterisiert (Nährstoffverwertung, DNA-Sequenzen verschiedener Gene, phylogenetische Analysen usw.). Im Vordergrund stand hierbei der von einer urtümlichen Landpflanze, dem Lebermoos (Marchantia polymorpha), isolierte Stamm Mtb. sp. JT1. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede in der Morphologie und Physiologie des Bakterienstamms JT1 und dem nahe verwandten Stamm 5b.2.20 zu den bereits beschriebenen Taxa der Gattung, so dass eine Spezies-Neubeschreibung erforderlich war. Als Artname wurde aufgrund der außergewöhnlichen Oberflächenstrukturen Mtb. fimbriae sp. nov. eingeführt. Auch andere Methylobakterien (unter anderem Isolat Mtb. sp. F3.2, isoliert vom Laubmoos Funaria hygrometrica) stellen wahrscheinlich Vertreter einer neue Spezies dar (Artname Mtb. funariae sp. nov.). Jedoch zeigen Mtb. fimbriae und Mtb. funariae nur geringe physiologische und morphologische Unterschiede und konnten auf Grundlage umfassender DNA-DNA-Hybridisierungs-Studien nicht eindeutig voneinander abgegrenzt werden.

Carbon and nitrogen emissions from stored manure and cropped fields in irrigated mountain oases of Oman

Little is known about gaseous carbon (C) and nitrogen (N) emissions from traditional terrace agriculture in irrigated high mountain agroecosystems of the subtropics. In an effort towards filling this knowledge gap measurements of carbon dioxide (CO_2), methane (CH_4), ammonia (NH_3) and dinitrous oxide (N_2O) were taken with a mobile photoacoustic infrared multi-gas monitor on manure-filled PE-fibre storage bags and on flood-irrigated untilled and tilled fields in three mountain oases of the northen Omani Al Jabal al Akhdar mountains. During typical 9-11 day irrigation cycles of March, August and September 2006 soil volumetric moisture contents of fields dominated by fodder wheat, barley, oats and pomegranate ranged from 46-23%. While manure incorporation after application effectively reduced gaseous N losses, prolonged storage of manure in heaps or in PE-fibre bags caused large losses of C and N. Given the large irrigation-related turnover of organic C, sustainable agricultural productivity of oasis agriculture in Oman seems to require the integration of livestock which allows for several applications of manure per year at individual rates of 20 t dry matter ha^−1.

Effects of Different Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.

Gaseous and leaching losses of carbon and nitrogen in irrigated organic farming of a coastal oasis in Oman

In der Dissertation wurden die Effekte verschiedener C/N-Verhältnisse und verschiedener Verhältnisse von strukturellen zu löslichen Kohlenhydraten (NDF/SC) von Dung, der in bewässerten Gemüsekulturen im Norden Omans appliziert wurde, untersucht. Im auf sandigen Böden durchgeführten Experiment wurden zwei Büffeldungvarianten zum einen mit einem C/N-Verhältnis von 19 und einem NDF/SC-Verhältnis von 17 (ORG1) und zum anderen mit einem C/N-Verhältnis von 25 und einem NDF/SC-Verhältnis von 108 (ORG2) verwendet. Das relevante faktorielle Anbausystem war eine zweijährige Rotation, bestehend aus Rettich gefolgt von Blumenkohl und Karotte. Eine signifikante Zunahme der Erträge, des Sproßdurchmessers und der Pflanzenhöhe von Blumenkohl (P<0,001) sowie der Konzentration von Askorbinsäure in den Wurzeln von Rettich (P<0,01) mit erhöhter Verfügbarkeit von N, P und K von ORG2 über ORG1 bis hin zur Mineraldünger-Kontrollbehandlung (MIN) konnte festgestellt werden. Innerhalb von 260 Tagen wurden für die gesamte Anbauperiode mit einem photoakustischen Infrarot-Multigasmonitor und einer damit verbundenen Haube bodenbürtige Gasemissionen gemessen. Die errechneten Nettobilanzen zeigten Überschüsse von N und P, welche von Defiziten für K begleitet waren. Die Kohlenstoff Nettobilanzen waren während des Untersuchungszeitraums negativ oder nicht konsistent. Die Ergebnisse zeigen, dass unter extremen klimatischen Bedingungen bewässerter sandiger Böden organische Kultivierung zuerst durch den Kohlenstoffgehalt von Dung und Boden und erst dann durch die applizierten Mengen an N, P und K limitiert wird. Es konnte festgestellt werden, dass Gasemissionen den größten Teil der N und C Verluste von bewässerten sandigen Böden im Norden Omans darstellen. Die Reduzierung von Treibhausgasen und Sickerverlusten sollte weiterhin im Fokus zukünftiger Untersuchungen stehen, um zur Entwicklung von nachhaltigen organischen Anbausystemen im Oman und anderen ariden tropischen Ländern beizutragen.

Nitrogen in combination with Desmodium intortum effectively suppress Striga asiatica in a sorghum‒Desmodium intercropping system

It is well known that the parasitic weed Striga asiatica (L.) Kuntze can be suppressed by Striga-tolerant sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) cultivars, Desmodium intortum (Mill.) Urb. (greanleaf desmodium), and by fertilization with nitrogen. The study objective was the assessment of Striga control provided by integration of Desmodium density, timing of sorghum-Desmodium intercrop establishment, and nitrogen fertilization. Growth responses and yield of three sorghum cultivars were measured in three pot experiments. A soil naturally infested with Striga was used, and that part of the soil which served as uninfested control was chemically sterilised. Striga numbers and growth were affected significantly by sorghum cultivars, sorghum-Desmodium intercrop ratios, timing of the sorghum-Desmodium association, as well as by their interactions. Desmodium caused 100% suppression of Striga emergence when Desmodium was established in the 1:3 sorghum-Desmodium ratio at seeding of sorghum. Total control of Striga was also achieved with the 1:1 sorghum-Desmodium ratio when Desmodium was transplanted 30 days before sorghum seeding. However, these two treatments also caused significant reductions in sorghum yield. In contrast, 100% Striga control and a dramatic increase in sorghum yield were achieved with 100 kg N ha^{-1} in the 1:1 sorghum-Desmodium intercrop. Compatibility of sorghum and Desmodium was evident at the 1:1 sorghum-Desmodium intercrop established at sorghum seeding. Overall, the Ethiopian cultivars Meko and Abshir showed better agronomic performance and higher tolerance to Striga than the South African cultivar PAN 8564. It is recommended that the N × Desmodium × sorghum interaction be investigated under field conditions.

Synthesis and characterisation of novel nitrogen and fluorine containing spirobifluorene derivatives for electronic applications and crystal engineering

Among organic materials, spirobifluorene derivatives represent a very attractive class of materials for electronic devices. These compounds have high melting points, glass transitions temperatures and morphological stability, which makes these materials suitable for organic electronic applications. In addition, some of spirobifluorenes can form porous supramolecular associations with significant volumes available for the inclusion of guests. These molecular associations based on the spirobifluorenes are noteworthy because they are purely molecular analogues of zeolites and other microporous solids, with potential applications in separation, catalysis, sensing and other areas.