Kurzumtriebsplantagen (KUP) besitzen das Potenzial, beträchtliche Mengen Biomasse für die Versorgung mit erneuerbaren Energien und nachwachsenden Rohstoffen bereitzustellen. Es ist bekannt, dass KUP auf landwirtschaftlichen Flächen mehr Ökosystemdienstleistungen hervorbringen können als üblicherweise angebaute einjährige Ackerfrüchte oder Energiepflanzen wie Raps und Mais. Trotzdem gibt es nur wenige Informationen über den Wasserverbrauch und die Transpiration von Pappelarten und ihren Hybriden unter den spezifischen Standortsbedingungen in Deutschland. Darüber hinaus bestehen Wissenslücken für die Abschätzung langfristiger Auswirkungen von KUP auf bodenökologische Aspekte. Um diese Defizite zu minimieren wurden auf einem Standort im mittelsächsischen Löss-Hügelland Felduntersuchungen durchgeführt. Für die Untersuchung der Effekte von KUP auf die Bodenwasserbilanz wurden Saftfluss- und Bodenfeuchte-Messungen in einer 10jährigen Hybrid-Pappelplantage durchgeführt. Darüber hinaus wurden Biomasseakkumulation, Nährelementverteilung und bodenökologische Parameter erforscht. Die Daten wurden genutzt, um ein prozess-orientiertes Wasserhaushaltsmodell zu parametrisieren und zu kalibrieren. Das validierte Modell wurde danach für die Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Pappel-KUP und Winterweizen auf die Wasserbilanz verschiedener sächsischer Standorte genutzt. Schließlich wurden die standortsspezifischen Biomasseerträge von KUP hergeleitet. Diese Informationen wurden mithilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) mit den Flächen verschnitten, auf denen der Anbau von KUP zu Synergien bzw. potenzielle Risiken für den Bodenschutz sowie den Natur- und Landschaftsschutz führen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Hybrid-Pappelplantagen deutlich mehr Wasser als Ackerkulturen und einheimische Forstbaumarten verbrauchen. Es kann daraus abgeleitet werden, dass die Anlage von KUP auf Ackerflächen den wassergebundenen Nährstoffaustrag sowie den Austrag von Schadstoffen reduziert. Auch das Erosionsrisiko würde verringert. Andererseits kann eine im vergleich zum Einzugsgebiet großflächige Anlage von KUP in Regionen mit negativer klimatischer Wasserbilanz zu einer geringeren Grundwasserneubildung führen. Eine ausreichende Wasserversorgung ist unverzichtbar, um die Wuchspotenziale von Pappel-Hochleistungssorten voll auszuschöpfen. Pappel-KUP können weitgehend ohne zusätzliche Düngung bewirtschaftet werden. Ehemals intensiv genutzte Ackerböden enthalten ausreichend Nährstoffe und Elemententzüge über die geerntete Biomasse werden durch atmosphärische Depositionen ausgeglichen. Auf lange Sicht kann der KUP-Anbau jedoch zu einer Verringerung des pH-Wertes und der Kationen-Austauschkapazität im Boden führen. Für die Vermeidung negativer Folgen für die Bodenfruchtbarkeit und das Pflanzenwachstum wären dann angepasste Konzepte für die Kalkung und Düngung notwendig. Die GIS-basierte Analyse unterstreicht, dass in Sachsen beträchtliche Flächenpotenziale für die Anlage von KUP existieren. Auf einem großen Teil würde die Anlage von KUP auch andere Ökosystemdienstleistungen aus dem Bereich Boden- und Naturschutz verbessern. Auch künftig sollte bei der Anlage von KUP-Flächen eine ökologische Begleitforschung erfolgen. Es besteht unter anderem der Bedarf, die ökologischen Aspekte von anderen schnell wachsenden Baumarten im Kurzumtrieb, zum Beispiel Robinie zu bewerten. Ein weiteres ziel könnte die Verbesserung von Anlage- und Rückumwandlungstechnologien sein, um die Stabilität von akkumulierter organischer Bodensubstanz zu erhalten. Es wird geschlussfolgert, dass die künftige praktische Bedeutung von KUP eher von den sozioökonomischen Rahmenbedingungen und der regionalen Umsetzung der gemeinsamen Agrarpolitik der Europäischen Union abhängen wird als von unzureichenden Standortsbedingungen. / Short rotation plantations and short rotation coppice (SRC) have the potential to contribute significant amounts of biomass to the sectors of green energy and of renewable raw materials. It is generally accepted that SRC may provide more ecosystem services on agricultural land than common annual arable or even energy crops like oil seed rape or maize do. However, only sparse information exists about the water demand and transpiration of poplar species and their hybrids for site conditions in Germany. Furthermore, there is a lack of knowledge about the long-term impact of short rotation plantations on soil ecology. To overcome these shortcomings, field investigations were conducted at a site in the hilly loess region of Saxony. To study effects of SRC on the soil water balance, sap flow and soil moisture measurements were conducted in a 10 years old hybrid poplar plantation. Moreover biomass accumulation, nutrient allocation and soil ecological parameters were determined. The data were used to parameterize and calibrate a process-oriented hydrological model. The validated model was subsequently used to determine and assess the impact of short rotation poplar plantations and winter wheat on the water balance of different sites in Saxony Finally, site specific yields of SRC were determined and areas with synergies and potential risks for soil protection, nature conservation at the regional scale were identified using Geographical Information Systems. The results show that hybrid poplar plantations consume significantly more water than arable crops and native tree species. Thus, it can be expected that the establishment of short rotation coppice may reduce the export of nutrients and pollutants or lower the risk of soil erosion. On the other hand, the large-scale establishment of short rotation coppice at catchments with negative climatic water balance may lead to a decrease of groundwater recharge. A sufficient water supply is indispensable in order fully to exploit the growth potential of high yielding polar clones. Short rotation plantations with poplar on arable land may be extensively managed without fertilization. Former intensively used agricultural soils provide sufficient nutrients and element exports by harvested biomass may be balanced by atmospherical deposition. However, it might be that in the long run cation exchange capacity and pH of the soils will decrease. This would require appropriated concepts for liming and fertilization. The GIS based analysis shows that there exist a substantial potential of arable land for the cultivation of SRC in Saxony. There, the establishment of SRC may improve other ecosystem services as soil protection and nature conservation too. Future research should be included into the ecological evaluation of new SRC plots. There is a need to asses ecological aspects of other fast growing tree species in SRC, in particular Black Locust. Another task could be the improvement of conversion practices to ensure the stability of accumulated soil organic matter during establishment and reconversion of SRC sites. It can be concluded that the future practical relevance of SRC is rather dependant on socio-economic framework conditions and the regional implementation of the common agricultural policy within the European Union than on insufficient site condition.

Vor dem Hintergrund einer angestrebten stofflichen Nutzung von Pappelholz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) zur Herstellung von Holzwerkstoffen und des eingeschränkten Erntezeitpunktes der Pappeln in den Wintermonaten ergab sich die Frage, wie das Holz über einen Lagerungszeitraum von bis zu neun Monaten bei gleichzeitiger Erhaltung der Holzqualität gelagert werden kann. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Lagerungsverfahren getestet: Trockenlagerung mit und ohne Rinde, Beregnung mit und ohne Rinde, Folienlagerung mit und ohne Rinde sowie einem aus Beregnung und Trockenlagerung kombinierten Verfahren. Insgesamt wurden 105 Raummeter Pappelrundholz aus KUP in zwei verschiedenen Lagerungsperioden 2018 und 2019 eingelagert. Die Holzqualität des gelagerten Pappelholzes wurde anhand von Untersuchungen zur Veränderung der Darrdichte, der chemischen Zusammensetzung (Cellulose-, Hemicellulosen-, Lignin-, Extraktstoffanteil) und ergänzend durch mikroskopische Untersuchungen bewertet. Ein weiterer Fokus lag auf der Holzfeuchte zur Abschätzung der Gefahr eines Pilzbefalls. Die Ergebnisse zeigten, dass es bei der Trockenlagerung mit Rinde in der Lagerungsperiode 2019 durch einen festgestellten Befall durch holzzerstörende Pilze, einer Reduktion der Darrdichte von 11 % sowie starken Änderungen der chemischen Zusammensetzung (vor allem Reduktion der Holzpolyosen) zu den stärksten Veränderungen kam. Bei der Trockenlagerung ohne Rinde waren die beobachteten Veränderungen deutlich geringer (maximale Abnahme der Darrdichte 3 %). Bei den beiden Lagerungsverfahren Beregnung und Folienlagerung konnte eine Lagerung des Holzes in einem für holzzerstörende Pilze unkritischen Holzfeuchtebereich nachgewiesen werden. Ein Befall durch holzzerstörende Pilze wurde durch die mikroskopischen Untersuchungen nicht festgestellt. Bei der Beregnung fiel die Veränderung der Darrdichte bei einigen Varianten stärker aus als erwartet. Für eine abschließende Bewertung sind weitere Untersuchungen notwendig. Der Klon Max 1 zeigte oft stärkere Veränderungen als der Klon AF2. Auch hier sind weitere Untersuchungen notwendig. Aus den Ergebnissen wurde geschlussfolgert, dass die Holzqualität mittels Folienlagerung am besten erhalten werden konnte. Auch die Trockenlagerung ohne Rinde wird aufgrund der geringen festgestellten Veränderungen und im Hinblick auf die geringen Kosten als geeignet erachtet. Es muss jedoch beachtet werden, dass dieses Lagerungsverfahren stark witterungsabhängig ist.:Kurzfassung Abstract Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Ziele und Thesen 1.3 Aufgabenstellung 2 Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Die Pappel und ihr Holz 2.1.1 Die Baumart Pappel 2.1.2 Die Holzart Pappel 2.1.3 Verwendung von Pappelholz 2.2 Kurzumtriebsplantagen (KUP) 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Pappel auf Kurzumtriebsplantagen 2.2.3 Verwendung von Pappelholz aus KUP 2.3 Rundholzlagerung 2.3.1 Anwendungsgebiete und Ziele der Rundholzlagerung 2.3.2 Einflussfaktoren auf den Lagerungserfolg 2.3.3 Verfahren der Rundholzlagerung 2.3.3.1 Übersicht über die Lagerungsverfahren 2.3.3.2 Trockenlagerung 2.3.3.3 Nasslagerung 2.3.3.4 Folienlagerung 2.3.4 Risiken für die Rundholzlagerung 2.3.4.1 Einleitung 2.3.4.2 Biotische Risiken 2.3.4.3 Abiotische Risiken 2.3.5 Lagerung von Pappelrundholz aus Kurzumtriebsplantagen 2.4 Holzfeuchtebestimmung und Holzfeuchtemonitoring durch elektrische Widerstands-messung 2.4.1 Überblick Verfahren zur Bestimmung der Holzfeuchte 2.4.2 Elektrische Widerstandsmessung 2.4.2.1 Prinzip 2.4.2.2 Kalibrierfunktionen 2.4.3 Monitoring durch elektrische Widerstandsmessung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2018 3.1.2 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2019 3.2 Methoden 3.2.1 Überblick Methoden 3.2.2 Versuchsaufbau 3.2.2.1 Lagerungsperiode 2018 3.2.2.2 Lagerungsperiode 2019 3.2.3 Untersuchungen 3.2.3.1 Überblick Untersuchungen und Beprobungsstrategie 3.2.3.2 Holzfeuchte 3.2.3.3 Darrdichte 3.2.3.4 Chemische Analysen 3.2.3.5 Pilz- und Bakterienbefall 3.2.3.6 Triebbildung 3.2.3.7 Gasanalyse 3.2.3.8 Elektrische Widerstandsmessung zur Ermittlung der Holzfeuchte 3.2.4 Dokumentation von Witterungsdaten 3.2.5 Statistische Auswertung 4 Ergebnisse 4.1 Systematik der Ergebnisdarstellung 4.2 Witterungsdaten 4.2.1 Lagerungsperiode 2018 4.2.2 Lagerungsperiode 2019 4.3 Gasatmosphäre 4.4 Holzfeuchte 4.4.1 Lagerungsperiode 2018 4.4.2 Lagerungsperiode 2019 4.5 Darrdichte 4.5.1 Lagerungsperiode 2018 4.5.2 Lagerungsperiode 2019 4.6 Chemische Zusammensetzung 4.6.1 Lagerungsperiode 2018 4.6.2 Lagerungsperiode 2019 4.7 Pilz- und Bakterienbefall 4.7.1 Lagerungsperiode 2018 4.7.2 Lagerungsperiode 2019 4.8 Triebbildung 4.8.1 Lagerungsperiode 2018 4.8.2 Lagerungsperiode 2019 4.9 Sonstige Beobachtungen 4.9.1 Rissbildungen bei der Trockenlagerung 4.9.2 Mäuse und einwachsende Pflanzenteile 4.10 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode 2019 4.10.1 Erstellung der Kalibrierfunktion für Pappelholz 4.10.1.1 Modell 1 4.10.1.2 Modell 2 4.10.2 Anwendung der ermittelten Kalibrierfunktion auf die mittels Datenlogger aufgezeichneten Messwerte im Zuge der Lagerungsperiode 2019 5 Diskussion 5.1 Evaluierung der Lagerungsverfahren unter Berücksichtigung der Holzfeuchte 5.1.1 Erwartete Holzqualität der einzelnen Lagerungsvarianten aufgrund der festgestellten Holzfeuchte 5.1.2 Trockenlagerung 5.1.2.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.2.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilzbefall 5.1.2.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Trockenlagerung 5.1.3 Beregnung 5.1.3.1 Holzfeuchte 5.1.3.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.3.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Beregnung 5.1.4 Kombiniertes Verfahren aus Beregnung und Trockenlagerung 5.1.4.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.4.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.4.3 Zusammenfassende Einschätzung zum kombinierten Verfahren 5.1.5 Folienlagerung 5.1.5.1 Gasanalyse in den Folienpaketen 5.1.5.2 Holzfeuchte 5.1.5.3 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.5.4 Zusammenfassende Einschätzung zur Folienlagerung 5.1.6 Vergleich der Klone Max 1 und AF2 5.1.7 Zusammenfassung und Bewertung der Lagerungsvarianten 5.2 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode durch elektrische Widerstandsmessung 5.2.1.1 Kalibierfunktion für Pappelholz aus KUP 5.2.1.2 Einsatzmöglichkeit der elektrischen Widerstandsmessung zur Qualitätsüberwachung von Pappelrundholzpoltern 6 Schlussfolgerung 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literaturverzeichnis / Considering the desired material use of poplar wood from short-rotation coppices (SRC) for the production of wooden materials and the limited harvest season, the question arose how the wood should be stored over a period of up to nine months while preserving the wood quality (at the same time). For this purpose, different storage methods were tested: storage in compact piles with and without bark, storage with water sprinkling with and without bark and storage under oxygen exclusion with and without bark, as well as storage in compact pile with temporary water sprinkling as a combined storage method. A total amount of 105 cubic meters test piles with poplar logs from SRC were set up in two different storage periods, 2018 and 2019. The clones Max 1 and AF2 were evaluated using 18 different storage variants. The quality of the stored poplar wood was evaluated based on changes in the wood density ρ0, chemical composition (cellulose, hemicelluloses, lignin and extract content) complemented by microscopic examinations. A further focus was the wood moisture content evaluation to estimate the potential risk of fungal decay. The results demonstrated that storage in compact piles in the storage period of 2019 resulted in the biggest changes caused by an infestation of wood-destroying fungi, 11.1% reduction of the wood density ρ0, and significant changes of chemical composition, in particular reduction of wood polyoses. Storage in compact piles without bark showed substantially lower changes (maximum decrease of wood density ρ0 of 3.3%). For storage with water sprinkling and storage under oxygen exclusion it could be shown that both result in storage conditions with an uncritical wood moisture range in relation to wood-destroying fungi (fungi decay). Fungi decay could not be observed by microscopic examination. Additional studies are required for a final assessment. Clone Max 1 showed frequently stronger changes than clone AF2. Further investigation is needed here as well. Based on the results it can be concluded that the wood quality could be preserved best by using the storage under oxygen exclusion. Storage in compact piles without bark can be considered as suitable as well due to the minor changes and considering the low costs. However, it has to be taken into account hat this storage method is very climate-dependent.:Kurzfassung Abstract Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Ziele und Thesen 1.3 Aufgabenstellung 2 Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Die Pappel und ihr Holz 2.1.1 Die Baumart Pappel 2.1.2 Die Holzart Pappel 2.1.3 Verwendung von Pappelholz 2.2 Kurzumtriebsplantagen (KUP) 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Pappel auf Kurzumtriebsplantagen 2.2.3 Verwendung von Pappelholz aus KUP 2.3 Rundholzlagerung 2.3.1 Anwendungsgebiete und Ziele der Rundholzlagerung 2.3.2 Einflussfaktoren auf den Lagerungserfolg 2.3.3 Verfahren der Rundholzlagerung 2.3.3.1 Übersicht über die Lagerungsverfahren 2.3.3.2 Trockenlagerung 2.3.3.3 Nasslagerung 2.3.3.4 Folienlagerung 2.3.4 Risiken für die Rundholzlagerung 2.3.4.1 Einleitung 2.3.4.2 Biotische Risiken 2.3.4.3 Abiotische Risiken 2.3.5 Lagerung von Pappelrundholz aus Kurzumtriebsplantagen 2.4 Holzfeuchtebestimmung und Holzfeuchtemonitoring durch elektrische Widerstands-messung 2.4.1 Überblick Verfahren zur Bestimmung der Holzfeuchte 2.4.2 Elektrische Widerstandsmessung 2.4.2.1 Prinzip 2.4.2.2 Kalibrierfunktionen 2.4.3 Monitoring durch elektrische Widerstandsmessung 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2018 3.1.2 Eingesetztes Versuchsmaterial für die Lagerungsperiode 2019 3.2 Methoden 3.2.1 Überblick Methoden 3.2.2 Versuchsaufbau 3.2.2.1 Lagerungsperiode 2018 3.2.2.2 Lagerungsperiode 2019 3.2.3 Untersuchungen 3.2.3.1 Überblick Untersuchungen und Beprobungsstrategie 3.2.3.2 Holzfeuchte 3.2.3.3 Darrdichte 3.2.3.4 Chemische Analysen 3.2.3.5 Pilz- und Bakterienbefall 3.2.3.6 Triebbildung 3.2.3.7 Gasanalyse 3.2.3.8 Elektrische Widerstandsmessung zur Ermittlung der Holzfeuchte 3.2.4 Dokumentation von Witterungsdaten 3.2.5 Statistische Auswertung 4 Ergebnisse 4.1 Systematik der Ergebnisdarstellung 4.2 Witterungsdaten 4.2.1 Lagerungsperiode 2018 4.2.2 Lagerungsperiode 2019 4.3 Gasatmosphäre 4.4 Holzfeuchte 4.4.1 Lagerungsperiode 2018 4.4.2 Lagerungsperiode 2019 4.5 Darrdichte 4.5.1 Lagerungsperiode 2018 4.5.2 Lagerungsperiode 2019 4.6 Chemische Zusammensetzung 4.6.1 Lagerungsperiode 2018 4.6.2 Lagerungsperiode 2019 4.7 Pilz- und Bakterienbefall 4.7.1 Lagerungsperiode 2018 4.7.2 Lagerungsperiode 2019 4.8 Triebbildung 4.8.1 Lagerungsperiode 2018 4.8.2 Lagerungsperiode 2019 4.9 Sonstige Beobachtungen 4.9.1 Rissbildungen bei der Trockenlagerung 4.9.2 Mäuse und einwachsende Pflanzenteile 4.10 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode 2019 4.10.1 Erstellung der Kalibrierfunktion für Pappelholz 4.10.1.1 Modell 1 4.10.1.2 Modell 2 4.10.2 Anwendung der ermittelten Kalibrierfunktion auf die mittels Datenlogger aufgezeichneten Messwerte im Zuge der Lagerungsperiode 2019 5 Diskussion 5.1 Evaluierung der Lagerungsverfahren unter Berücksichtigung der Holzfeuchte 5.1.1 Erwartete Holzqualität der einzelnen Lagerungsvarianten aufgrund der festgestellten Holzfeuchte 5.1.2 Trockenlagerung 5.1.2.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.2.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilzbefall 5.1.2.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Trockenlagerung 5.1.3 Beregnung 5.1.3.1 Holzfeuchte 5.1.3.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.3.3 Zusammenfassende Einschätzung zur Beregnung 5.1.4 Kombiniertes Verfahren aus Beregnung und Trockenlagerung 5.1.4.1 Holzfeuchte und Witterungsbedingungen 5.1.4.2 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.4.3 Zusammenfassende Einschätzung zum kombinierten Verfahren 5.1.5 Folienlagerung 5.1.5.1 Gasanalyse in den Folienpaketen 5.1.5.2 Holzfeuchte 5.1.5.3 Veränderung der Darrdichte und der chemischen Zusammensetzung, Pilz- und Bakterienbefall 5.1.5.4 Zusammenfassende Einschätzung zur Folienlagerung 5.1.6 Vergleich der Klone Max 1 und AF2 5.1.7 Zusammenfassung und Bewertung der Lagerungsvarianten 5.2 Monitoring der Holzfeuchteentwicklung im Laufe der Lagerungsperiode durch elektrische Widerstandsmessung 5.2.1.1 Kalibierfunktion für Pappelholz aus KUP 5.2.1.2 Einsatzmöglichkeit der elektrischen Widerstandsmessung zur Qualitätsüberwachung von Pappelrundholzpoltern 6 Schlussfolgerung 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literaturverzeichnis

Les Taillis à Très Courte Rotation sont une culture destinée à produire des plaquettes de bois énergie. L'objectif de la thèse était d'étudier l'impact des TTCR sur le fonctionnement des sols et de proposer des indicateurs de qualité. Cinq prélèvements ont été effectués chaque printemps et automne entre 2010 et 2012 sur les sols de quatre couples de TTCR et bandes enherbées, d'une forêt alluviale et d'un agrosystème, localisés dans la vallée de l'Aisne. Les paramètres suivants ont été mesurés: matières organiques, carbone total, capacité d'échange cationique et éléments échangeables, phosphore disponible, minéralisation du carbone et de l'azote, biomasse, abondance et diversité des communautés lombriciennes, abondance relative et diversité des communautés fongiques et bactériennes, activités enzymatiques, caractérisations physiques et chimiques des matières organiques. 6 années après la mise en place des TTCR, les densités fongiques et lombriciennes, la respiration basale, l'activité laccase étaient plus élevées dans les TTCR par rapport à l'agrosystème. Ces modifications peuvent être reliées aux changements quantitatifs et qualitatifs des matières organiques (augmentation du C/N, diminution de l'indice hydrogène). L'azote et le phosphore semblent être limitant mais les retours importants et le turn over rapide de la MO viennent tamponner les fortes exportations. Ces mesures ont conduit à la définition d'indicateurs et aboutissent à la proposition de trois indices : fertilité, activité biologique, abondance et diversité des communautés biologiques. L'utilisation des courbes de réponses principales confirme l'effet positif des TTCR sur la qualité du sol, observée avec le calcul d'indices synthétiques / Short Rotation Coppices (SRC) are a crop system intended to produce energy wood chips. This thesis aimed at assessing the impact of SRC on soil functioning and proposing quality indicators. Five samplings were performed in spring and autumn between 2010 and 2012 on plots including four couples of SRC and grassland, an alluvial forest and an agrosystem, in the Aisne valley. The following parameters were monitored: organic matter, total carbon, cation capacity exchange, available phosphorus, carbon and nitrogen basal respiration, earthworm biomass, density and diversity, fungal and bacterial density and diversity, enzymatic activity, physical and chemical organic matter characterisations. 6 years after conversion to SRC, earthworm and fungal density, basal respiration and laccase activity were higher in SRC soil compared to conventional agrosystem. These changes can be linked to qualitative and quantitative organic matter evolutions (increase of the C/N ratio and decrease of hydrogen index). Nitrogen and phosphorus seemed to be limiting factors for SRC crop yields. However, soil nutrient return and the good turnover of organic matter can buffer strong exportations. The measured parameters led to indicator definition and proposition of three indices: fertility, biological activity, density and diversity of biological communities. Principal response curves confirmed the positive effect of SRC on soil quality as observed with synthetic indices calculation

L'obiettivo della ricerca è stato quello di identificare la coltura bioenergetica con il maggior potenziale di sequestro del carbonio (C); sono state considerate tre colture perenni arboree (pioppo, robinia e salice) e tre colture erbacee perenni (canna comune , miscanto e panico ) al sesto anno dal loro impianto e coltivate nello stesso ambiente. In primo luogo sono state misurate le variazioni dei tassi del C organico del suolo (COS) per il primo 1 m, mentre per i primi 30 cm di suolo è stato stimato il grado di stabilita del COS valutando sette frazioni di COS che presentano differenti gradi di stabilizzazione; in secondo luogo, sono stati caratterizzati gli apparati radicali delle sei specie per la stessa profondità di suolo, per valutare dove le specie accumulano la biomassa radicale lungo il profilo di suolo. I risultati confermano che l’impianto di colture bioenergetiche perenni su superfici precedentemente dedite a colture annuali gestite convenzionalmente rappresenta una opzione valida per sequestrare C nel soulo. Tuttavia, è stata osservata una diversa capacità di sequestro di C tra specie arboree ed erbacee: le specie arboree hanno dimostrato aumentre il contenuto di COS nel primo strato di suolo ( 0-10 cm di suolo), ma la loro capacità di allocare biomassa radicale negli strati profondi del suolo è limitata; mentre, la specie erbacee allocano un’alta quantità di biomassa radicale negli strati profondi del suolo, ma solo il panico ed il miscanto hanno aumentato il contenuto di C nel primo strato di suolo. / The objective of the present research was to identify the bioenergy crop with the greatest carbon sequestration potential among three perennial woody crops (poplar, black locust and willow) and three perennial herbaceous crops (giant reed, miscanthus and switchgrass) at the sixth year from plantation and in the same location. First of all the SOC stock variations for the first 1 m soil depth and the quantification of seven soil C fractions related to SOC stabilization level of the first 30 cm of soil were assessed; secondly, a characterization of the root system and the traits which affect the carbon allocation in soil were considered. The results confirm that the establishment of perennial bioenergy crops in previous arable fields can be a suitable option to sequester carbon (C) belowground. However, a different C sequestration capacity was observed between woody and herbaceous crops: woody species showed the greatest SOC sequestration potential in the first soil layer (0-10 cm of soil) but their ability to allocate root biomass in the deeper soil layers was limited; while, the herbaceous species allocated a high amount of root biomass in the deeper soil layers, but only switchgrass and miscanthus sequester C in the first soil layer.

Kurzumtriebsplantagen (KUP) bieten für eine Vielzahl von Organismen einen idealen Lebensraum. Einige Insektenarten reagieren darauf mit einer massenhaften Vermehrung. Besonders der Einfluss des Roten Pappelblattkäfers (Chrysomela (=Melasoma) populi) führte in den vergangenen Jahren vermehrt zur Schädigung von KUP. Bisher nehmen die Schäden noch selten bestandesbedrohende Ausmaße an, sind in der Tendenz jedoch klar zunehmend. Immer häufiger kommt es zu relevanten Zuwachsverlusten, verzögertem Austrieb und dem Ausfall einzelner Pflanzen. Daher werden im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „AgroForNet“ Möglichkeiten der Überwachung, Prognose und Bekämpfung des Roten Pappelblattkäfers erforscht. Erste Ergebnisse aus dem Jahr 2011 zeigen vielversprechende Ansätze, mit denen sich C. populi effektiv überwachen und Schäden kostengünstig minimieren lassen.

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Kurzumtriebsplantagen (KUP) bieten für eine Vielzahl von Organismen einen idealen Lebensraum. Einige Insektenarten reagieren darauf mit einer massenhaften Vermehrung. Besonders der Einfluss des Roten Pappelblattkäfers (Chrysomela (=Melasoma) populi) führte in den vergangenen Jahren vermehrt zur Schädigung von KUP. Bisher nehmen die Schäden noch selten bestandesbedrohende Ausmaße an, sind in der Tendenz jedoch klar zunehmend. Immer häufiger kommt es zu relevanten Zuwachsverlusten, verzögertem Austrieb und dem Ausfall einzelner Pflanzen. Daher werden im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „AgroForNet“ Möglichkeiten der Überwachung, Prognose und Bekämpfung des Roten Pappelblattkäfers erforscht. Erste Ergebnisse aus dem Jahr 2011 zeigen vielversprechende Ansätze, mit denen sich C. populi effektiv überwachen und Schäden kostengünstig minimieren lassen.

Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln (Populus spp.) kann eine bedeutende Rolle im Mix der Bioenergieressourcen in Deutschland spielen. Trotz eines günstigen Energieinput-Energieoutput-Verhältnisses ist das Erreichen wirtschaftlich zufriedenstellender Ergebnisse mit KUP jedoch auf den meisten potenziellen Anbauflächen durch hohe Ansprüche der Pappeln an die Wasserversorgung erschwert. Hohe Produktivitätsraten der Pappeln sind an einen hohen Wasserverbrauch gebunden und viele Trockenheitsanpassungen führen zu deutlichen Ertragsrückgängen. In der vorgestellten Arbeit wurde eine sechsjährige Vollgeschwister-F1-Kartierungspopulation der Europäischen Zitter Pappel (Aspe, Populus tremula L., Wuchsperiode 1998-2003) physiologisch und genetisch untersucht, um mögliche Wege zu einer züchterischen Verbesserung der Trockenheitstoleranz von Pappeln diskutieren zu können. Dabei wurde das Zuchtziel der Trockenheitstoleranz als Minimierung der Ertragsrückgänge unter trockenen Bedingungen definiert. Neben wuchsleistungsbezogenen Größen (Biomassegesamtleistung (BM, oberirdische Dendromasse), Biomassezuwachs (iBM), Radialzuwachs (ir), Baumhöhe (h)) wurden physiologisch holzanatomische Eigenschaften untersucht, die retrospektiv anhand der Jahrringe messbar sind und zur nicht direkt messbaren Eigenschaft der Trockenheitstoleranz in einer Beziehung stehen. Diese waren die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopsignatur (δ13C, δ18O), die Faser- und Gefäßgliedlänge (FL, GL), die Gefäßlumenquerschnittsfläche (AG), die Gefäßdichte (GD), der potenziell Saftstrom leitende Querschnittsflächenanteil (LQ), der hydraulisch gewichtete Gefäßlumendurchmesser (Dh) und die röntgendensitometrische Holzdichte (RD). Um trockenheitsbedingte physiologische Reaktionen vom Einfluss der Juvenilität der Kartierungspopulation unterscheiden zu können, wurden regionaltypische Juvenilitätstrends der RD, FL, GL, und des ir anhand eines zweiten, für das östliche Deutschland repräsentativen Aspen-Kollektivs aus natürlicher Sukzession ermittelt. Bedingt durch Trockenheitsanpassungen bzw. eine bevorzugte Wurzelentwicklung nach dem Verpflanzen zeigte die Kartierungspopulation in den ersten drei Jahrringen Abweichungen von den regionaltypischen Juvenilitätstrends. In den Trendverläufen der Kartierungspopulation heben sich die beiden Trockenvegetationsperioden 2000 und 2003 ab, wobei bis zum Sommer 2003 infolge des Starkniederschlages 2002 (Flut) ein außergewöhnlich gutes Grundwasserangebot herrschte. Alle untersuchten phänotypischen Eigenschaften zeigten 2000 starke trockenheitsbedingte Abweichungen. Im Jahrring 2003 wichen nur die GL und die RD von ihren Juvenilitätstrends ab. Außerdem konnte anhand der δ13C und δ18O Werte eine signifikante Abnahme der Wassernutzungseffizienz bzw. eine Zunahme der Transpiration im Jahr 2003 gezeigt werden. Die übrigen Größen folgten ihren Juvenilitätstrends und stiegen an. Die Jahrringdatensätze 2000 und 2003 der RD waren nicht signifikant mit der BM korreliert, dagegen zeigten die δ13C Datensätze 2002 und 2003 schwach positive Korrelationen mit der BM. Der trockenheitstoleranteste Genotyp verband seine überdurchschnittliche BM mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (angezeigt durch überdurchschnittliche δ13C Werte), mit einer überdurchschnittlichen AG und mit einer nicht unterdurchschnittlichen RD in Höhe des Populationsmittels. Aufgrund des Fehlens negativer Korrelationen zwischen BM und δ13C bzw. BM und RD in der vorliegenden Arbeit können δ13C und RD als nützliche Weiser für die Unterscheidung der Trockenheitstoleranz verschiedener Aspen zu züchterischen Zwecken vorgeschlagen werden. Außer der BM unter trockenen Bedingungen kann keine der untersuchten Eigenschaften als alleiniger Trockenheitstoleranzweiser empfohlen werden. Zu einer Trockenheitstoleranzbewertung sollten Merkmalspaare verwendet werden, von denen ein Merkmal positiv mit dem Ertrag korreliert ist und das andere eine Trockenheitsanpassung verkörpert. Dadurch werden sowohl das primäre Zuchtziel eines höchstmöglichen Ertrages als auch eine bessere Trockenheitsangepasstheit berücksichtigt. Zwei verschiedene Trockenheitstoleranzindizierungen wurden angewendet, um die Kartierungsnachkommen entsprechend ihrer Trockenheitstoleranz einem Ranking zu unterziehen. Dabei wurden in beiden Fällen Bäume mit einem höheren Ertrag besser platziert. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der genetischen Kartierung von Quantitative Trait Loci (QTL) für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz. Als Basis für das QTL Mapping wurden, der Pseudo-Testcross-Mapping-Strategie folgend, genetische Kopplungskarten für die Elternbäume der Kartierungspopulation konstruiert. Die maternale Karte (P. tremula, „Schandau 4“) deckte mit 157 Markern (144 AFLP, 13 SSR) in 30 Kopplungsgruppen 1.369 cM ab, die 21 paternalen Kopplungsgruppen mit 148 Markern (132 AFLP, 16 SSR) überspannten 1.079 cM des Genoms (P. tremula, „Lichtenhain 1“). Die im Vergleich zur haploiden Chromosomenzahl der Pappeln (19) hohen Zahlen an Kopplungsgruppen sowie die hohen Zahlen an Doublets und unkartierten Markern zeigten eine geringe Genomabdeckung an. So konnte nur eine begrenzte Zahl, höchstens zwei QTL für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz, kartiert werden. Ein QTL Bereich mit pleiotropem Effekt auf mehrere wachstumsbezogene Größen wurde auf der maternalen Kopplungsgruppe 1 (dem Populus Chromosom I zuzuordnen) detektiert. Die Signifikanz der Effekte dieses QTL auf den Radialzuwachs entwickelte sich steigend mit zunehmendem Baumalter. / Wood production in short rotation coppices (SRC) with poplar (Populus spp.) can contribute significantly to the future bio energy supply mix in Germany. Although the energy-input to energy-output ratio is rather good, SRC often do not meet cost effectiveness due to high water demand of poplar species. High biomass productivity depends on optimal water supply. Also, numerous adaptations to water deficits result in an undesirable decrease of yield. Combined physiological and genetic investigations were conducted within a six-year old F1-full-sib crossbred population of European aspen (Populus tremula L., growing period 1998-2003). Possible implications on selection, breeding or improvement of poplar cultivars showing a high tolerance to water deficits are discussed. For the work presented here, the breeding goal of higher water deficit tolerance was defined as the minimisation of yield losses under dry conditions. Beyond growth related traits (aggregate yield (BM), aboveground woody biomass), biomass increment (iBM) and radial increment (ir), physiological and wood anatomical traits were included; these are related to reactions to water deficit and are measurable on tree rings retrospectively. These traits were the Carbon- and Oxygen isotope ratios (δ13C, δ18O), the fibre length and vessel element length (FL, GL), the vessel lumen cross sectional area (AG), the vessel density (GD), the cumulative vessel lumen area to cross sectional area ratio (LQ), the hydraulically weighted mean vessel lumen diameter (Dh) and wood density assessed by X-ray densitometry (RD). To distinguish the drought induced physiologic reactions from juvenile developmental patterns of the mapping population, juvenile trends of RD, FL, GL, and ir, which are representative of habitats in south-eastern Germany, were investigated in a second aspen collective that was selected from natural succession. During the first three years, the mapping population showed deviations from the juvenile trends due to water deficit adaptations or preferential root development, respectively. Due to drought in the growing seasons of 2000 and 2003, the juvenile trends show outstanding values for both years, although ground water supply in 2003 was exceptionally good following the intense rain event of 2002 (Elbe flood 2002). The tree ring traits of both years stand out from the juvenile trends due to drought adaptations. In 2000, all phenotypic traits showed a significant deviation from their respective trends. In 2003, only GL and RD showed an adaptation to drought as observable by a deviation from their juvenile trends. A significant decrease in water use efficiency (WUE) and an increase in net transpiration, respectively, were shown for 2003 by means of δ13C or δ18O values. All other traits showed an increase following their juvenile trends. RD data for 2000 and 2003 were not significantly correlated with BM, but δ13C data (and therefore WUE) for 2002 and 2003 revealed a weakly positive correlation with BM. The genotype that was most tolerant to water deficits showed a combination of a superior growth with a superior WUE (by means of δ13C), a superior AG, and an RD close to but not less than the population average. Due to the lack of negative correlation between BM and δ13C or BM and RD in the present work, δ13C and RD can be valuable proxies for the determination of drought tolerance of aspen trees for tree improvement purposes. Aside from BM under dry conditions, no other traits that were investigated can be recommended as a stand-alone proxy for water deficit tolerance. For a water deficit tolerance evaluation, pairs of traits should be used, of which one trait is positively correlated with yield and the other represents a water deficit adaptation. Both the primary breeding goal of the highest possible yield as well as a better water deficit tolerance should always be considered in this context. Two different drought tolerance indices were used to rank the individuals of the mapping population according to their water deficit tolerance. In both cases, trees with higher BM were ranked better. The second focus of the present work is on genetic mapping of Quantitative Trait Loci (QTL) for the investigated tree-ring traits that refer to water deficit reaction. As a basis for the QTL-mapping approach, genetic linkage maps were constructed for each parental tree of the F1-full-sib crossbred mapping-population following the two-way pseudo-testcross mapping strategy. The maternal map (P. tremula, “Schandau 4”) consisted of 157 markers (144 AFLP, 13 SSR) in 30 linkage groups and covered 1,369 cM. The 21 linkage groups of the paternal map (P. tremula, “Lichtenhain 1”) covered 1,079 cM of the genome (144 AFLP, 13 SSR). Compared with the haploid chromosome number (19) of the Populus genome, the high number of linkage groups, doublets and unlinked markers indicated low genome coverage. Only a low number of QTL was detected, maximal two per in¬vesti¬gated phenotypic trait with a relation to water deficit tolerance. One QTL having a pleiotropic effect on several growth related traits was detected on the maternal linkage group 1 (corresponding to the Populus Chromosome I). The significance of the QTL effects seemed to increase with tree age.

Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln (Populus spp.) kann eine bedeutende Rolle im Mix der Bioenergieressourcen in Deutschland spielen. Trotz eines günstigen Energieinput-Energieoutput-Verhältnisses ist das Erreichen wirtschaftlich zufriedenstellender Ergebnisse mit KUP jedoch auf den meisten potenziellen Anbauflächen durch hohe Ansprüche der Pappeln an die Wasserversorgung erschwert. Hohe Produktivitätsraten der Pappeln sind an einen hohen Wasserverbrauch gebunden und viele Trockenheitsanpassungen führen zu deutlichen Ertragsrückgängen. In der vorgestellten Arbeit wurde eine sechsjährige Vollgeschwister-F1-Kartierungspopulation der Europäischen Zitter Pappel (Aspe, Populus tremula L., Wuchsperiode 1998-2003) physiologisch und genetisch untersucht, um mögliche Wege zu einer züchterischen Verbesserung der Trockenheitstoleranz von Pappeln diskutieren zu können. Dabei wurde das Zuchtziel der Trockenheitstoleranz als Minimierung der Ertragsrückgänge unter trockenen Bedingungen definiert. Neben wuchsleistungsbezogenen Größen (Biomassegesamtleistung (BM, oberirdische Dendromasse), Biomassezuwachs (iBM), Radialzuwachs (ir), Baumhöhe (h)) wurden physiologisch holzanatomische Eigenschaften untersucht, die retrospektiv anhand der Jahrringe messbar sind und zur nicht direkt messbaren Eigenschaft der Trockenheitstoleranz in einer Beziehung stehen. Diese waren die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopsignatur (δ13C, δ18O), die Faser- und Gefäßgliedlänge (FL, GL), die Gefäßlumenquerschnittsfläche (AG), die Gefäßdichte (GD), der potenziell Saftstrom leitende Querschnittsflächenanteil (LQ), der hydraulisch gewichtete Gefäßlumendurchmesser (Dh) und die röntgendensitometrische Holzdichte (RD). Um trockenheitsbedingte physiologische Reaktionen vom Einfluss der Juvenilität der Kartierungspopulation unterscheiden zu können, wurden regionaltypische Juvenilitätstrends der RD, FL, GL, und des ir anhand eines zweiten, für das östliche Deutschland repräsentativen Aspen-Kollektivs aus natürlicher Sukzession ermittelt. Bedingt durch Trockenheitsanpassungen bzw. eine bevorzugte Wurzelentwicklung nach dem Verpflanzen zeigte die Kartierungspopulation in den ersten drei Jahrringen Abweichungen von den regionaltypischen Juvenilitätstrends. In den Trendverläufen der Kartierungspopulation heben sich die beiden Trockenvegetationsperioden 2000 und 2003 ab, wobei bis zum Sommer 2003 infolge des Starkniederschlages 2002 (Flut) ein außergewöhnlich gutes Grundwasserangebot herrschte. Alle untersuchten phänotypischen Eigenschaften zeigten 2000 starke trockenheitsbedingte Abweichungen. Im Jahrring 2003 wichen nur die GL und die RD von ihren Juvenilitätstrends ab. Außerdem konnte anhand der δ13C und δ18O Werte eine signifikante Abnahme der Wassernutzungseffizienz bzw. eine Zunahme der Transpiration im Jahr 2003 gezeigt werden. Die übrigen Größen folgten ihren Juvenilitätstrends und stiegen an. Die Jahrringdatensätze 2000 und 2003 der RD waren nicht signifikant mit der BM korreliert, dagegen zeigten die δ13C Datensätze 2002 und 2003 schwach positive Korrelationen mit der BM. Der trockenheitstoleranteste Genotyp verband seine überdurchschnittliche BM mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (angezeigt durch überdurchschnittliche δ13C Werte), mit einer überdurchschnittlichen AG und mit einer nicht unterdurchschnittlichen RD in Höhe des Populationsmittels. Aufgrund des Fehlens negativer Korrelationen zwischen BM und δ13C bzw. BM und RD in der vorliegenden Arbeit können δ13C und RD als nützliche Weiser für die Unterscheidung der Trockenheitstoleranz verschiedener Aspen zu züchterischen Zwecken vorgeschlagen werden. Außer der BM unter trockenen Bedingungen kann keine der untersuchten Eigenschaften als alleiniger Trockenheitstoleranzweiser empfohlen werden. Zu einer Trockenheitstoleranzbewertung sollten Merkmalspaare verwendet werden, von denen ein Merkmal positiv mit dem Ertrag korreliert ist und das andere eine Trockenheitsanpassung verkörpert. Dadurch werden sowohl das primäre Zuchtziel eines höchstmöglichen Ertrages als auch eine bessere Trockenheitsangepasstheit berücksichtigt. Zwei verschiedene Trockenheitstoleranzindizierungen wurden angewendet, um die Kartierungsnachkommen entsprechend ihrer Trockenheitstoleranz einem Ranking zu unterziehen. Dabei wurden in beiden Fällen Bäume mit einem höheren Ertrag besser platziert. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der genetischen Kartierung von Quantitative Trait Loci (QTL) für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz. Als Basis für das QTL Mapping wurden, der Pseudo-Testcross-Mapping-Strategie folgend, genetische Kopplungskarten für die Elternbäume der Kartierungspopulation konstruiert. Die maternale Karte (P. tremula, „Schandau 4“) deckte mit 157 Markern (144 AFLP, 13 SSR) in 30 Kopplungsgruppen 1.369 cM ab, die 21 paternalen Kopplungsgruppen mit 148 Markern (132 AFLP, 16 SSR) überspannten 1.079 cM des Genoms (P. tremula, „Lichtenhain 1“). Die im Vergleich zur haploiden Chromosomenzahl der Pappeln (19) hohen Zahlen an Kopplungsgruppen sowie die hohen Zahlen an Doublets und unkartierten Markern zeigten eine geringe Genomabdeckung an. So konnte nur eine begrenzte Zahl, höchstens zwei QTL für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz, kartiert werden. Ein QTL Bereich mit pleiotropem Effekt auf mehrere wachstumsbezogene Größen wurde auf der maternalen Kopplungsgruppe 1 (dem Populus Chromosom I zuzuordnen) detektiert. Die Signifikanz der Effekte dieses QTL auf den Radialzuwachs entwickelte sich steigend mit zunehmendem Baumalter. / Wood production in short rotation coppices (SRC) with poplar (Populus spp.) can contribute significantly to the future bio energy supply mix in Germany. Although the energy-input to energy-output ratio is rather good, SRC often do not meet cost effectiveness due to high water demand of poplar species. High biomass productivity depends on optimal water supply. Also, numerous adaptations to water deficits result in an undesirable decrease of yield. Combined physiological and genetic investigations were conducted within a six-year old F1-full-sib crossbred population of European aspen (Populus tremula L., growing period 1998-2003). Possible implications on selection, breeding or improvement of poplar cultivars showing a high tolerance to water deficits are discussed. For the work presented here, the breeding goal of higher water deficit tolerance was defined as the minimisation of yield losses under dry conditions. Beyond growth related traits (aggregate yield (BM), aboveground woody biomass), biomass increment (iBM) and radial increment (ir), physiological and wood anatomical traits were included; these are related to reactions to water deficit and are measurable on tree rings retrospectively. These traits were the Carbon- and Oxygen isotope ratios (δ13C, δ18O), the fibre length and vessel element length (FL, GL), the vessel lumen cross sectional area (AG), the vessel density (GD), the cumulative vessel lumen area to cross sectional area ratio (LQ), the hydraulically weighted mean vessel lumen diameter (Dh) and wood density assessed by X-ray densitometry (RD). To distinguish the drought induced physiologic reactions from juvenile developmental patterns of the mapping population, juvenile trends of RD, FL, GL, and ir, which are representative of habitats in south-eastern Germany, were investigated in a second aspen collective that was selected from natural succession. During the first three years, the mapping population showed deviations from the juvenile trends due to water deficit adaptations or preferential root development, respectively. Due to drought in the growing seasons of 2000 and 2003, the juvenile trends show outstanding values for both years, although ground water supply in 2003 was exceptionally good following the intense rain event of 2002 (Elbe flood 2002). The tree ring traits of both years stand out from the juvenile trends due to drought adaptations. In 2000, all phenotypic traits showed a significant deviation from their respective trends. In 2003, only GL and RD showed an adaptation to drought as observable by a deviation from their juvenile trends. A significant decrease in water use efficiency (WUE) and an increase in net transpiration, respectively, were shown for 2003 by means of δ13C or δ18O values. All other traits showed an increase following their juvenile trends. RD data for 2000 and 2003 were not significantly correlated with BM, but δ13C data (and therefore WUE) for 2002 and 2003 revealed a weakly positive correlation with BM. The genotype that was most tolerant to water deficits showed a combination of a superior growth with a superior WUE (by means of δ13C), a superior AG, and an RD close to but not less than the population average. Due to the lack of negative correlation between BM and δ13C or BM and RD in the present work, δ13C and RD can be valuable proxies for the determination of drought tolerance of aspen trees for tree improvement purposes. Aside from BM under dry conditions, no other traits that were investigated can be recommended as a stand-alone proxy for water deficit tolerance. For a water deficit tolerance evaluation, pairs of traits should be used, of which one trait is positively correlated with yield and the other represents a water deficit adaptation. Both the primary breeding goal of the highest possible yield as well as a better water deficit tolerance should always be considered in this context. Two different drought tolerance indices were used to rank the individuals of the mapping population according to their water deficit tolerance. In both cases, trees with higher BM were ranked better. The second focus of the present work is on genetic mapping of Quantitative Trait Loci (QTL) for the investigated tree-ring traits that refer to water deficit reaction. As a basis for the QTL-mapping approach, genetic linkage maps were constructed for each parental tree of the F1-full-sib crossbred mapping-population following the two-way pseudo-testcross mapping strategy. The maternal map (P. tremula, “Schandau 4”) consisted of 157 markers (144 AFLP, 13 SSR) in 30 linkage groups and covered 1,369 cM. The 21 linkage groups of the paternal map (P. tremula, “Lichtenhain 1”) covered 1,079 cM of the genome (144 AFLP, 13 SSR). Compared with the haploid chromosome number (19) of the Populus genome, the high number of linkage groups, doublets and unlinked markers indicated low genome coverage. Only a low number of QTL was detected, maximal two per in¬vesti¬gated phenotypic trait with a relation to water deficit tolerance. One QTL having a pleiotropic effect on several growth related traits was detected on the maternal linkage group 1 (corresponding to the Populus Chromosome I). The significance of the QTL effects seemed to increase with tree age.

Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln (Populus spp.) kann eine bedeutende Rolle im Mix der Bioenergieressourcen in Deutschland spielen. Trotz eines günstigen Energieinput-Energieoutput-Verhältnisses ist das Erreichen wirtschaftlich zufriedenstellender Ergebnisse mit KUP jedoch auf den meisten potenziellen Anbauflächen durch hohe Ansprüche der Pappeln an die Wasserversorgung erschwert. Hohe Produktivitätsraten der Pappeln sind an einen hohen Wasserverbrauch gebunden und viele Trockenheitsanpassungen führen zu deutlichen Ertragsrückgängen. In der vorgestellten Arbeit wurde eine sechsjährige Vollgeschwister-F1-Kartierungspopulation der Europäischen Zitter Pappel (Aspe, Populus tremula L., Wuchsperiode 1998-2003) physiologisch und genetisch untersucht, um mögliche Wege zu einer züchterischen Verbesserung der Trockenheitstoleranz von Pappeln diskutieren zu können. Dabei wurde das Zuchtziel der Trockenheitstoleranz als Minimierung der Ertragsrückgänge unter trockenen Bedingungen definiert. Neben wuchsleistungsbezogenen Größen (Biomassegesamtleistung (BM, oberirdische Dendromasse), Biomassezuwachs (iBM), Radialzuwachs (ir), Baumhöhe (h)) wurden physiologisch holzanatomische Eigenschaften untersucht, die retrospektiv anhand der Jahrringe messbar sind und zur nicht direkt messbaren Eigenschaft der Trockenheitstoleranz in einer Beziehung stehen. Diese waren die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopsignatur (δ13C, δ18O), die Faser- und Gefäßgliedlänge (FL, GL), die Gefäßlumenquerschnittsfläche (AG), die Gefäßdichte (GD), der potenziell Saftstrom leitende Querschnittsflächenanteil (LQ), der hydraulisch gewichtete Gefäßlumendurchmesser (Dh) und die röntgendensitometrische Holzdichte (RD). Um trockenheitsbedingte physiologische Reaktionen vom Einfluss der Juvenilität der Kartierungspopulation unterscheiden zu können, wurden regionaltypische Juvenilitätstrends der RD, FL, GL, und des ir anhand eines zweiten, für das östliche Deutschland repräsentativen Aspen-Kollektivs aus natürlicher Sukzession ermittelt. Bedingt durch Trockenheitsanpassungen bzw. eine bevorzugte Wurzelentwicklung nach dem Verpflanzen zeigte die Kartierungspopulation in den ersten drei Jahrringen Abweichungen von den regionaltypischen Juvenilitätstrends. In den Trendverläufen der Kartierungspopulation heben sich die beiden Trockenvegetationsperioden 2000 und 2003 ab, wobei bis zum Sommer 2003 infolge des Starkniederschlages 2002 (Flut) ein außergewöhnlich gutes Grundwasserangebot herrschte. Alle untersuchten phänotypischen Eigenschaften zeigten 2000 starke trockenheitsbedingte Abweichungen. Im Jahrring 2003 wichen nur die GL und die RD von ihren Juvenilitätstrends ab. Außerdem konnte anhand der δ13C und δ18O Werte eine signifikante Abnahme der Wassernutzungseffizienz bzw. eine Zunahme der Transpiration im Jahr 2003 gezeigt werden. Die übrigen Größen folgten ihren Juvenilitätstrends und stiegen an. Die Jahrringdatensätze 2000 und 2003 der RD waren nicht signifikant mit der BM korreliert, dagegen zeigten die δ13C Datensätze 2002 und 2003 schwach positive Korrelationen mit der BM. Der trockenheitstoleranteste Genotyp verband seine überdurchschnittliche BM mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (angezeigt durch überdurchschnittliche δ13C Werte), mit einer überdurchschnittlichen AG und mit einer nicht unterdurchschnittlichen RD in Höhe des Populationsmittels. Aufgrund des Fehlens negativer Korrelationen zwischen BM und δ13C bzw. BM und RD in der vorliegenden Arbeit können δ13C und RD als nützliche Weiser für die Unterscheidung der Trockenheitstoleranz verschiedener Aspen zu züchterischen Zwecken vorgeschlagen werden. Außer der BM unter trockenen Bedingungen kann keine der untersuchten Eigenschaften als alleiniger Trockenheitstoleranzweiser empfohlen werden. Zu einer Trockenheitstoleranzbewertung sollten Merkmalspaare verwendet werden, von denen ein Merkmal positiv mit dem Ertrag korreliert ist und das andere eine Trockenheitsanpassung verkörpert. Dadurch werden sowohl das primäre Zuchtziel eines höchstmöglichen Ertrages als auch eine bessere Trockenheitsangepasstheit berücksichtigt. Zwei verschiedene Trockenheitstoleranzindizierungen wurden angewendet, um die Kartierungsnachkommen entsprechend ihrer Trockenheitstoleranz einem Ranking zu unterziehen. Dabei wurden in beiden Fällen Bäume mit einem höheren Ertrag besser platziert. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der genetischen Kartierung von Quantitative Trait Loci (QTL) für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz. Als Basis für das QTL Mapping wurden, der Pseudo-Testcross-Mapping-Strategie folgend, genetische Kopplungskarten für die Elternbäume der Kartierungspopulation konstruiert. Die maternale Karte (P. tremula, „Schandau 4“) deckte mit 157 Markern (144 AFLP, 13 SSR) in 30 Kopplungsgruppen 1.369 cM ab, die 21 paternalen Kopplungsgruppen mit 148 Markern (132 AFLP, 16 SSR) überspannten 1.079 cM des Genoms (P. tremula, „Lichtenhain 1“). Die im Vergleich zur haploiden Chromosomenzahl der Pappeln (19) hohen Zahlen an Kopplungsgruppen sowie die hohen Zahlen an Doublets und unkartierten Markern zeigten eine geringe Genomabdeckung an. So konnte nur eine begrenzte Zahl, höchstens zwei QTL für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz, kartiert werden. Ein QTL Bereich mit pleiotropem Effekt auf mehrere wachstumsbezogene Größen wurde auf der maternalen Kopplungsgruppe 1 (dem Populus Chromosom I zuzuordnen) detektiert. Die Signifikanz der Effekte dieses QTL auf den Radialzuwachs entwickelte sich steigend mit zunehmendem Baumalter. / Wood production in short rotation coppices (SRC) with poplar (Populus spp.) can contribute significantly to the future bio energy supply mix in Germany. Although the energy-input to energy-output ratio is rather good, SRC often do not meet cost effectiveness due to high water demand of poplar species. High biomass productivity depends on optimal water supply. Also, numerous adaptations to water deficits result in an undesirable decrease of yield. Combined physiological and genetic investigations were conducted within a six-year old F1-full-sib crossbred population of European aspen (Populus tremula L., growing period 1998-2003). Possible implications on selection, breeding or improvement of poplar cultivars showing a high tolerance to water deficits are discussed. For the work presented here, the breeding goal of higher water deficit tolerance was defined as the minimisation of yield losses under dry conditions. Beyond growth related traits (aggregate yield (BM), aboveground woody biomass), biomass increment (iBM) and radial increment (ir), physiological and wood anatomical traits were included; these are related to reactions to water deficit and are measurable on tree rings retrospectively. These traits were the Carbon- and Oxygen isotope ratios (δ13C, δ18O), the fibre length and vessel element length (FL, GL), the vessel lumen cross sectional area (AG), the vessel density (GD), the cumulative vessel lumen area to cross sectional area ratio (LQ), the hydraulically weighted mean vessel lumen diameter (Dh) and wood density assessed by X-ray densitometry (RD). To distinguish the drought induced physiologic reactions from juvenile developmental patterns of the mapping population, juvenile trends of RD, FL, GL, and ir, which are representative of habitats in south-eastern Germany, were investigated in a second aspen collective that was selected from natural succession. During the first three years, the mapping population showed deviations from the juvenile trends due to water deficit adaptations or preferential root development, respectively. Due to drought in the growing seasons of 2000 and 2003, the juvenile trends show outstanding values for both years, although ground water supply in 2003 was exceptionally good following the intense rain event of 2002 (Elbe flood 2002). The tree ring traits of both years stand out from the juvenile trends due to drought adaptations. In 2000, all phenotypic traits showed a significant deviation from their respective trends. In 2003, only GL and RD showed an adaptation to drought as observable by a deviation from their juvenile trends. A significant decrease in water use efficiency (WUE) and an increase in net transpiration, respectively, were shown for 2003 by means of δ13C or δ18O values. All other traits showed an increase following their juvenile trends. RD data for 2000 and 2003 were not significantly correlated with BM, but δ13C data (and therefore WUE) for 2002 and 2003 revealed a weakly positive correlation with BM. The genotype that was most tolerant to water deficits showed a combination of a superior growth with a superior WUE (by means of δ13C), a superior AG, and an RD close to but not less than the population average. Due to the lack of negative correlation between BM and δ13C or BM and RD in the present work, δ13C and RD can be valuable proxies for the determination of drought tolerance of aspen trees for tree improvement purposes. Aside from BM under dry conditions, no other traits that were investigated can be recommended as a stand-alone proxy for water deficit tolerance. For a water deficit tolerance evaluation, pairs of traits should be used, of which one trait is positively correlated with yield and the other represents a water deficit adaptation. Both the primary breeding goal of the highest possible yield as well as a better water deficit tolerance should always be considered in this context. Two different drought tolerance indices were used to rank the individuals of the mapping population according to their water deficit tolerance. In both cases, trees with higher BM were ranked better. The second focus of the present work is on genetic mapping of Quantitative Trait Loci (QTL) for the investigated tree-ring traits that refer to water deficit reaction. As a basis for the QTL-mapping approach, genetic linkage maps were constructed for each parental tree of the F1-full-sib crossbred mapping-population following the two-way pseudo-testcross mapping strategy. The maternal map (P. tremula, “Schandau 4”) consisted of 157 markers (144 AFLP, 13 SSR) in 30 linkage groups and covered 1,369 cM. The 21 linkage groups of the paternal map (P. tremula, “Lichtenhain 1”) covered 1,079 cM of the genome (144 AFLP, 13 SSR). Compared with the haploid chromosome number (19) of the Populus genome, the high number of linkage groups, doublets and unlinked markers indicated low genome coverage. Only a low number of QTL was detected, maximal two per in¬vesti¬gated phenotypic trait with a relation to water deficit tolerance. One QTL having a pleiotropic effect on several growth related traits was detected on the maternal linkage group 1 (corresponding to the Populus Chromosome I). The significance of the QTL effects seemed to increase with tree age.