Der Klimawandel fordert die Anbausysteme heraus, um das derzeitige Produktionsniveau zu verbessern oder sogar aufrechtzuerhalten. Es wird erwartet, dass zukünftige Trends bei Temperatur und Niederschlag die Ernteproduktivität beeinträchtigen. Es ist daher notwendig, möglicher Lösungen zur Anpassung der Anbausysteme an den Klimawandel zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über die Anpassung von weltweit relevanten Getreidepflanzen an den Klimawandel zu erweitern. Die zentrale Fragestellung ist, ob globale Anbausysteme an den Klimawandel angepasst werden können, indem die Phänologie der Kulturpflanzen durch Anpassung von Wachstumsperioden und Sorten gesteuert wird. Die Phänologie und die Ertragsreaktionen sowohl auf den Temperaturanstieg als auch auf die Sortenselektion werden zunächst anhand eines Ensembles von “Global Gridded Crop Models” bewertet. Anschließend wird die Komplexität der Anpassung durch phänologisches Management analysiert, insbesondere unter Berücksichtigung der bestehenden großen Wissenslücken bei der Auswahl von Pflanzensorten. Das Ergebnis der Analyse ist ein regelbasierter Algorithmus, der phänologische Zyklen der Kulturpflanzen auswählt, um die Zeit für die Ertragsbildung zu maximieren und Temperatur- und Wasserbelastungen während der Wachstumszyklen der Kulturpflanzen zu minimieren. Die berechneten Aussaatdaten und Wachstumsperioden werden verwendet, um globale Muster von Sorten zu parametrisieren, die an aktuelle und zukünftige Klimaszenarien angepasst sind. Diese Arbeit zeigt, dass die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenproduktivität erheblich variieren können, je nachdem, welche Annahmen für das agronomische Management getroffen werden. Änderungen im Management zu vernachlässigen, liefert die pessimistischste Prognose für die zukünftige Pflanzenproduktion. Relativ einfache Ansätze zur Berechnung angepasster Aussaatdaten und Sorten bieten eine Grundlage für die Berücksichtigung autonomer Anpassungsschemata als integraler Bestandteil globaler Modellierungsrahmen. / Climate change is challenging cropping systems to enhance or even maintain current production levels. Future trends in temperature and precipitation are expected to negatively impact crop productivity. It is therefore necessary to explore adaptation options of cropping systems to changing climate. The aim of this thesis is to advance knowledge on adaptation of world-wide relevant grain crops to climate change. The central research question is whether global cropping systems can be adapted to climate change by managing crop phenology through adjusting growing periods and cultivars. Phenology and yield responses to both temperature increase and cultivar selection are first assessed making use of an ensemble of Global Gridded Crop Models. Then, the complexity of adaptation through phenological management is analysed, particularly addressing the existing large knowledge gaps on crop cultivar choice. The outcome of the analysis is a rule-based algorithm that selects crop phenological cycles aiming at maximizing the time for yield formation and minimizing temperature and water stresses during the crop growth cycles. The computed sowing dates and growing periods are used to parametrize global patterns of cultivars adapted to present and future climate scenarios. This thesis demonstrates that the impacts of climate change on crop productivity can vary substantially depending on which assumptions are made on agronomic management. Neglecting any changes in management return the most pessimistic projection on future crop production. Relatively simple approaches to compute adapted sowing dates and cultivars provide a base for considering autonomous adaptation schemes as an integral component of global scale modelling frameworks.

In dieser Arbeit wurden die Veränderungen der agrarklimatologischen Bedingungen im Zuge des Klimawandels für ausgesuchte Sauerkirschanbauregionen in Europa und Nordamerika untersucht. Es wird auf veränderte Risiken (Spätfrost, Hitzewellen, Wassermangel) hingewiesen, die durch nachhaltige, praxisorientierte und ökonomisch vertretbare Anpassungsmaßnahmen (Überdachung, Frostschutz, Bewässerung, Anbausystem, Wahl der Sorte und Unterlage, etc.) begrenzt werden können. Der Klimawandel kann neben Risiken aber auch Chancen für den Sauerkirschanbau eröffnen. Höhere Temperaturen und eine längere Vegetationsperiode können regional differenziert zu günstigeren Anbaubedingungen führen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Entwicklung phänologischer Modelle gelegt, mit denen Veränderungen im Entwicklungsrhythmus der Sauerkirschgehölze analysiert werden konnten. Dafür wurden acht Modelle zur Vorhersage des Blühbeginns und Blühendes entwickelt. Weitere phänologische Stadien konnten mit dem Modell von Zavalloni et al. (2006) berechnet werden. Die Untersuchungen haben ergeben, dass sich der Blühbeginn unter geänderten Klimabedingungen verfrüht, aber nur geringe Verkürzungen der Zeiträume zwischen den phänologischen Stadien zu erwarten sind. Zu den gefürchteten Witterungsschäden im Obstbau gehört Spätfrost, der zu hohen Ertragsverlusten führen kann. Im Zuge des Klimawandels können sich die Häufigkeit und Stärke der Fröste ändern. Die Frostwahrscheinlichkeit während der untersuchten Entwicklungsphasen von Sauerkischgehölzen könnte in diesem Jahrhundert in Rheinland-Pfalz und Eau Claire abnehmen, während sich die Verhältnisse in den anderen Anbaugebieten nur geringfügig ändern. In einem zweiten Schritt wurden die Ertragsverluste durch Frost bestimmt. Hierbei hat sich ergeben, dass die Frostschäden in den untersuchten Anbauregionen wahrscheinlich geringer werden. Allerdings differieren die Ergebnisse zwischen den Berechnungen mit beobachteten und modellierten Temperaturen oft stark. / This thesis investigates the changes in agro-climatic conditions for selected growing region in Europe and North America under current and future climate conditions. The overall aim of the study was to identify possible risks (spring frosts, heat waves, water shortages), which can be limited by sustainable, practically oriented and economically viable adaptation measures (hail- and frost-protection, irrigation, cultivation system, choice of variety and rootstock). Besides risks, climate change can provide new opportunities. Higher temperature levels and extended growing season lengths could regionally differentiated improve the growing conditions. Particular focus was given to developing phenological models, used to investigate shifts in spring phenology of sour cherry trees due to climate change. Therefore, eight models to predict the beginning and end of blossom were optimized and validated. Further phenological stages were calculated with the model by Zavalloni et al. (2006). The results show an earlier onset in the beginning of sour cherry blossom under future climate conditions, while the length of the period between the phenological stages only shortens slightly. Spring frosts are feared weather hazards in orchards which can cause substantial yield losses. The changing climate conditions could influence the frequency and strength of spring frosts. In the course of this century the spring frost probability is likely to decrease in Rhineland-Palatinate and Eau Claire, while only slight changes are expected in the other growing regions. In the second step, yield losses caused by spring frost were calculated. The frost damages on sour cherries in the investigated growing regions will probably decrease. However, the yield losses calculated with observed and modeled temperatures often differ strongly.