Low-altitude aerial photography for optimum N fertilization of winter wheat on the North China Plain

Previous research has shown that site-specific nitrogen (N) fertilizer recommendations based on an assessment of a soil’s N supply (mineral N testing) and the crop’s N status (sap nitrate analysis) can help to decrease excessive N inputs for winter wheat on the North China Plain. However, the costs to derive such recommendations based on multiple sampling of a single field hamper the use of this approach at the on-farm level. In this study low-altitude aerial true-color photographs were used to examine the relationship between image-derived reflectance values and soil–plant data in an on-station experiment. Treatments comprised a conventional N treatment (typical farmers’ practice), an optimum N treatment (N application based on soil–plant testing) and six treatments without N (one to six cropping seasons without any N fertilizer input). Normalized intensities of the red, green and blue color bands on the photographs were highly correlated with total N concentrations, SPAD readings and stem sap nitrate of winter wheat. The results indicate the potential of aerial photography to determine in combination with on site soil–plant testing the optimum N fertilizer rate for larger fields and to thereby decrease the costs for N need assessments.

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.

Discrimination between organically and conventionally grown winter wheat by means of holistic and selected analytical methods

Die Verordnung des Europäischen Rates (EC) 834/2007 erkennt das Recht des Konsumenten auf eine Entscheidung basierend auf vollständiger Information bezüglich der enthaltenen Zutaten im Produkt und deren Herkunft (Qualität der Verarbeitung). Die primäre Kennzeichnungsverordnung betont „organische“ Produktionsstandards ebenso wie die Notwendigkeit zur Kontrolle und Aufsicht. Jedoch ist zurzeit keine validierte Methode zur analytischen Diskriminierung zwischen „organischer“ und „konventioneller“ Herkunft von angebotenen Lebensmitteln verfügbar. Das Ziel der Dissertationsarbeit war die Überprüfung der Möglichkeit mit ausgewählten analytischen und holistischen Methoden zwischen organisch und konventionell angebautem Weizen objektiv zu unterscheiden. Dies beinhaltete die Bestimmung des Gesamtstickstoff (Protein) nach Dumas, zweidimensionale Fluoreszenzdifferenz Gelelektrophorese (2D DIGE) und die Kupferchloridkristallisation. Zusätzlich wurde die Anzahl der Körner pro Ähre (Kornzahl) bestimmt. Alle Bestimmungen wurden an rückverfolgbaren in den Jahren 2005 – 2007 in Belgien gesammelten Proben des Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Cubus) durchgeführt. Statistisch signifikante (p < 0.05) Unterschiede wurden innerhalb der untersuchten Probengruppen sowohl in der Kornzahl, dem Gesamtsticksoff (Eiweißgehalt), als auch in der Gesamtausbeute gefunden, wobei in den meisten Fällen die konventionellen Proben höhere Kornzahlen und Gesamtsticksoff (Eiweißgehalte) aufwiesen. Eine mit der 2D DIGE kompatible Probenvorbereitungsmethode für Winterweizen wurde entwickelt und auf einen internen Winterweizenstandard sowie die entsprechenden Proben angewendet. Die organischen Proben waren im Vergleich mit den konventionellen Gegenstücken in allen Fällen durch eine kleinere Anzahl von signifikant (p < 0.05) stärker exprimierten Proteinspots gekennzeichnet. Gewisse Tendenzen in Richtung der Bevorzugung bestimmter Regionen von stärker ausgeprägten Proteinspots auf aufeinanderfolgenden 2D Abbildungen in Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Methode konnten zwar beobachtet werden, jedoch konnte kein universelles Markerprotein zur Unterscheidung von konventionell und biologisch angebautem Winterweizen identifiziert werden. Die rechnergestützte Verarbeitung der digitalisierten Kristallisierungsbilder mittels multivariater statistischer Analyse und der Regression partieller kleinster Quadrate ermöglichte eine 100%ig korrekte Vorhersage der landwirtschaftlichen Methode unbekannter Proben sowie der Beschreibung der Kristallisierungsbilder. Diese Vorhersage bezieht sich nur auf den hier verwendeten Datensatz (Proben einer Sorte von drei Standorten über zwei Jahre) und kann nicht ohne weiteres übertragen (generalisiert) werden. Die Ergebnisse deuten an, dass die Quantifizierung der beschriebenen Parameter ein hohes Potential zur Lösung der gestellten Aufgabe besitzt.

Agronomic aspects of intercropping spring or winter peas and cereals as influenced by ploughing system

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Mischfruchtanbau von Sommer- oder Wintererbsen und Getreide zu bewerten und die Eignung einer flachwendenden Bodenbearbeitung im ökologischen Erbsenanbau zu ermitteln. Weiterhin war im Rahmen dieser Arbeit beabsichtigt, den Einfluss einer mechanischen Bodenbelastung zur Saat auf die Leistungsfähigkeit von Sommererbsen in Reinsaat und Gemenge nach tief- (Pflug, 25-30 cm) und flachwendender (Stoppelhobel, 7-12 cm) Bodenbearbeitung zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Feldversuche mit den Versuchsfaktoren Anbauform (Sommererbsen und Hafer in Reinsaat oder Gemenge), Pflugsystem (flach- und tiefwendend), mechanische Bodenbelastung (0 t; 2,6 t; 4,6 t Hinterradlast) und Standort (Köllitsch, Trenthorst) in 2009 und 2010 durchgeführt. Der Mischfruchtanbau zweier Wintererbsen-Sorten (E.F.B. 33: normalblättrig, buntblühend; James: halbblattlos, weißblühend) nach flach- und tiefwendender Bodenbearbeitung wurde am Standort Trenthorst in den Jahren 2009/10 und 2010/11 untersucht. Zur Untersuchung der Vorfruchtwirkung wurde im Anschluss an die Wintererbsen-Versuche Winterweizen angebaut. Ein Gefäßversuch und ein Bioassay wurde ergänzend zu den Mischfruchtversuchen mit Sommererbsen durchgeführt, um die Ursachen eines unterschiedlichen Unkrautunterdrückungsvermögens in Reinsaaten und Gemenge von Sommererbsen und Hafer bestimmen zu können. Mischfruchtbestände von Erbsen und Getreide unterdrückten annuelle Unkräuter stärker als Erbsen-Reinsaaten, was insbesondere bei halbblattlosen Erbsen zu beobachten war. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine stärkere unterirdische Interaktion zwischen Kulturpflanzen und Unkräutern für die stärkere Unkrautunterdrückung in Erbsen-Hafer-Gemengen im Vergleich zu Erbsen-Reinsaaten verantwortlich war. Die flachwendende Bearbeitung führte in Sommererbsen-Reinsaaten zu einem signifikant höheren Unkrautaufkommen, wohingegen in den Erbsen-Hafer-Gemengen eine vergleichbare (Köllitsch) oder signifikant höhere (Trenthorst) Verunkrautung nach flachwendender Bearbeitung vorhanden war. In den Wintererbsen-Versuchen waren keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Unkrautaufkommens zwischen den Pflugsystemen festzustellen. Der Mischfruchtanbau von Wintererbsen und Triticale reduzierte den Befall mit der Grünen Erbsenblattlaus und verbesserte die Standfestigkeit der normalblättrigen Wintererbse, wohingegen kein positiver Effekt des Mischfruchtanbaus in Hinsicht auf Auswinterungsverluste der Wintererbsen und einen Befall mit dem Erbsenwickler festgestellt werden konnte. Die Mischfruchtbestände von Sommer- oder Wintererbsen und Getreidepartnern wiesen unter der Voraussetzung, dass keine Ertragsbildungsprobleme beim Getreide auftraten, höhere Gesamterträge im Vergleich zu den entsprechenden Erbsen-Reinsaaten auf. Die Getreidepartner unterdrückten in den Mischfruchtbeständen insbesondere die halbblattlosen Erbsen. Die flachwendende Bodenbearbeitung führte im Vergleich zur tiefwendenden Bearbeitung zu einer vergleichbaren oder signifikant besseren Ertragsleistung der Rein- und Mischfruchtbestände von Erbsen und Getreide. Die mechanische Bodenbelastung hat die Ertragsleistung und die Kornqualität der Kulturen im Jahr 2009 nicht beeinflusst. Im Jahr 2010 führte die mechanische Bodenbelastung, im Gegensatz zum Hafer, zu einer Reduzierung der Erbsen-Erträge um 12,1 % (2,6 t) und 20,8 % (4,6 t). Zudem nahmen der Rohproteingehalt der Erbsen und die Gesamterträge mit zunehmender mechanischer Bodenbelastung nach tiefwendender Bodenbearbeitung kontinuierlich ab, wohingegen nach flachwendender Bearbeitung keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden. Der Winterweizen, der nach den Rein- und Mischsaaten von E.F.B. 33 angebaut wurde (2010/11: 35,9; 2011/12: 20,1 dt TM ha-1), war dem Winterweizen nach den Rein- und Mischsaaten von James (2010/11: 23,8; 2011/12: 16,7 dt TM ha-1) ertraglich überlegen. Während im Jahr 2010/11 kein signifikanter Unterschied der Ertragsleistung der Nachfrucht Winterweizen in den beiden Pflugsystemen festgestellt wurde, führte die flachwendende Bodenbearbeitung im Jahr 2011/12 zu signifikant geringeren Winterweizen-Erträgen (12,9 dt TM ha-1) im Vergleich zur tiefwendenden Bodenbearbeitung (20,5 dt TM ha-1). Der metabolische Energiegehalt der weißblühenden Winter- (15,2 MJ kg-1) und Sommererbsen (15,7 MJ kg-1) lag signifikant über demjenigen der buntblühenden Wintererbsen-Sorte E.F.B. 33 (13,3 MJ kg-1). Das Pflugsystem hatte nur geringe Auswirkungen auf die Kornqualität und den energetischen Futterwert.

Pathogens occuring in the winter pea-maize-winter wheat rotation, their host specificity and the potential of compost in suppressing foot and root disease of peas

The overall aim of the work presented was to evaluate soil health management with a specific focus on soil borne diseases of peas. For that purpose field experiments were carried out from 2009 until 2013 to assess crop performance and pathogen occurrence in the rotation winter pea-maize-winter wheat and if the application of composts can improve system performance. The winter peas were left untreated or inoculated with Phoma medicaginis, in the presence or absence of yard waste compost at rate of 5 t dry matter ha-1. A second application of compost was made to the winter wheat. Fusarium ssp. were isolated and identified from the roots of all three crops and the Ascochyta complex pathogens on peas. Bioassays were conducted under controlled conditions to assess susceptibility of two peas to Fusarium avenaceum, F. solani, P. medicaginis and Didymella pinodes and of nine plant species to F. avenaceum. Also, effects of compost applications and temperature on pea diseases were assessed. Application of composts overall stabilized crop performance but it did not lead to significant yield increases nor did it affect pathogen composition and occurrence. Phoma medicaginis was dominating the pathogen complex on peas. F. graminearum, F. culmorum, F. proliferatum, Microdochium nivale, F. crookwellense, F. sambucinum, F. oxysporum, F. avenaceum and F. equiseti were frequently isolated species from maize and winter wheat with no obvious influence of the pre-crop on the Fusarium species composition. The spring pea Santana was considerably more susceptible to the pathogens tested than the winter pea EFB33 in both sterile sand and non-sterilized field soil. F. avenaceum was the most aggressive pathogen, followed by P. medicaginis, D. pinodes, and F. solani. Aggressiveness of all pathogens was greatly reduced in non-sterile field soil. F. avenaceum caused severe symptoms on roots of all nine plant species tested. Especially susceptible were Trifolium repens, T. subterraneum, Brassica juncea and Sinapis alba in addition to peas. Reduction of growing temperatures from 19/16°C day/night to 16/12°C and 13/10°C did not affect the efficacy of compost. It reduced plant growth and slightly increased disease on EFB33 whereas the highest disease severity on Santana was observed at the highest temperature, 19/16°C. Application of 20% v/v of compost reduced disease on peas due to all four pathogens depending on pea variety, pathogen and growing media used. Suppression was also achieved with lower application rate of 3.5% v/v. Tests with γ sterilized compost suggest that the suppression of disease caused by Fusarium spp. is biological in origin, whereas chemical and physical properties of compost are playing an additional role in the suppression of disease caused by D. pinodes and P. medicaginis.

River ecosystems at risk

Worldwide water managers are increasingly challenged to allocate sufficient and affordable water supplies to different water use sectors without further degrading river ecosystems and their valuable services to mankind. Since 1950 human population almost tripled, water abstractions increased by a factor of four, and the number of large dam constructions is about eight times higher today. From a hydrological perspective, the alteration of river flows (temporally and spatially) is one of the main consequences of global change and further impairments can be expected given growing population pressure and projected climate change. Implications have been addressed in numerous hydrological studies, but with a clear focus on human water demands. Ecological water requirements have often been neglected or addressed in a very simplistic manner, particularly from the large-scale perspective. With his PhD thesis, Christof Schneider took up the challenge to assess direct (dam operation and water abstraction) and indirect (climate change) impacts of human activities on river flow regimes and evaluate the consequences for river ecosystems by using a modeling approach. The global hydrology model WaterGAP3 (developed at CESR) was applied and further developed within this thesis to carry out several model experiments and assess anthropogenic river flow regime modifications and their effects on river ecosystems. To address the complexity of ecological water requirements the assessment is based on three main ideas: (i) the natural flow paradigm, (ii) the perception that different flows have different ecological functions, and (iii) the flood pulse concept. The thesis shows that WaterGAP3 performs well in representing ecologically relevant flow characteristics on a daily time step, and therefore justifies its application within this research field. For the first time a methodology was established to estimate bankfull flow on a 5 by 5 arc minute grid cell raster globally, which is a key parameter in eFlow assessments as it marks the point where rivers hydraulically connect to adjacent floodplains. Management of dams and water consumption pose a risk to floodplains and riparian wetlands as flood volumes are significantly reduced. The thesis highlights that almost one-third of 93 selected Ramsar sites are seriously affected by modified inundation patterns today, and in the future, inundation patterns are very likely to be further impaired as a result of new major dam initiatives and climate change. Global warming has been identified as a major threat to river flow regimes as rising temperatures, declining snow cover, changing precipitation patterns and increasing climate variability are expected to seriously modify river flow regimes in the future. Flow regimes in all climate zones will be affected, in particular the polar zone (Northern Scandinavia) with higher river flows during the year and higher flood peaks in spring. On the other side, river flows in the Mediterranean are likely to be even more intermittent in the future because of strong reductions in mean summer precipitation as well as a decrease in winter precipitation, leading to an increasing number of zero flow events creating isolated pools along the river and transitions from lotic to lentic waters. As a result, strong impacts on river ecosystem integrity can be expected. Already today, large amounts of water are withdrawn in this region for agricultural irrigation and climate change is likely to exacerbate the current situation of water shortages.