The first essay formulates a dynamic general equilibrium optimal control model of an energy crop as part of a country's planned resource use over a period of time. The model attempts to allocate consumption, production, and factors of production to achieve the country's sustainable development goal. A Cobb-Douglas specification is used for both utility and production functions in the model. We calibrate the model with Thailand data. The selected model is used to generate the stationary state solution and to simulate the optimal policy function and optimal time paths. Two methods are used: a linear approximation method and the Runke-Kutta reverse shooting method. The model provides numerical results that can be used as information for decision makers and stakeholders to devise an economic plan to achieve sustainable development goals. The second essay studies the effect of international trade and changes in labor supply, land supply, and the price of imported energy on energy crop production for bio fuel and food, as well as impacts on social welfare. We develop a dynamic general equilibrium model to describe two baseline scenarios, a closed economy and an open economy. We find that international trade increases welfare and decreases the energy price. Furthermore, resources are allocated to produce more food under the open economy scenario than the quantities produced under a closed economy assumption. An increase in labor supply and land supply result in an increase in social welfare. An increase in imported energy price leads to a welfare loss, higher energy production, and lower food production. The third essay develops a partial equilibrium econometric model to project the impacts of an increase in ethanol production on the Thai agriculture sector over the next ten years. The model is applied to three scenarios for analyzing the effect of government ethanol production targets. The results from the baseline model and scenario analysis indicate that an expansion in ethanol production will result in a significant increase in cassava production, price, and land use. The increase in cassava production will shift land use from maize and sugar cane, thus increasing in price of maize.

Der Bericht fasst die Ergebnisse des Projektes EVA (Entwicklung und Vergleich von Anbausystemen für Energiepflanzen zur Biogasproduktion) der Jahre 2009 bis 2013 auf dem Versuchsstandort Trossin (Nordsachsen) zusammen. Untersucht wurden acht Energiefruchtfolgen hinsichtlich Ertragseigenschaften, Methanbildungspotenzialen sowie ökonomischer und ökologischer Kriterien. Als leistungsstärkste Fruchtarten haben sich Energiemais, Sorghumhirsen, Sonnenblumen, Luzerne-Kleegras und Rüben bewährt. Das Ertragsrisiko konnte mit ertragsstabilen Getreideganzpflanzen, insbesondere Winterroggen, Wintergerste und Wintertriticale, gesenkt werden. Es konnten mit den verschiedenen Fruchtfolgevarianten kumulative Trockenmasseerträge bis zu 400 dt TM/ha und 12.600 m 3 CH 4 /ha erzielt werden. Mehrjährige Ackerfutter-Leguminosen-Mischungen und Zwischenfrüchte konnten den Anforderungen zum Schutz der Boden-, Luft und Wasserqualität am besten gerecht werden.

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Establishing plant communities is essential for the restoration of contaminated land. As potential cover materials, fly ash and sewage sludge can prevent formation of acid mine drainage from sulfidic mine waste. The aim of the thesis was to i) screen for plants that can be established in, and prevent leakage of metals and nutrients from sludge on top of ash and tailings, and ii) investigate root growth into sealing layers of ash and sludge. Analyses were performed under laboratory, greenhouse and field conditions using selected plant species to examine the release of Cd, Cu, Zn, N, and P from the materials. Plant physiological responses and interactions with fly ash were also investigated. The data show that plants can decrease metal and nutrient leakage from the materials, and lower the elemental levels in the leachate, but with varying efficiencies among plant species. Plants capable of taking up both nitrate and ammonium were more efficient in preventing N leakage compared with those taking up primarily ammonium. Fast growing plants could raise the pH in acidic sludge leachate, but the initial pH decrease and N leakage was not counteracted by plants. Germination in fresh sludge was problematic, but enhanced by aeration of the sludge. In general, the accumulation of metals in plant shoots was low, especially if ash was located below the sludge. Fresh ash was phytotoxic (e.g., high alkalinity, salinity and metal levels) and induced the activity of stress-related enzymes in shoots. In sealing layers of aged and cured ash, roots could grow if the penetration resistance was low, or into the surface of stronger layers if the surface had become pulverized. The roots caused dissolution of calcium-rich minerals, possibly by exudation of saccharides. Addition of sludge to an ash layer increased root growth, likely due to decreased bulk density and pH, and nutrient addition. In conclusion, with selected plant species and a properly constructed cover, metal and nutrient leaching from the materials and root growth into the sealing layer can be restricted.

No description available.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten anhand eines zweifaktoriellen Feldversuchs bestehend aus den Faktoren Fruchtfolge und Pflanzenschutz die Potenziale zur Reduktion von fruchtfolgebedingten Halmbasis- und Wurzelkrankheitserregern an Weizen (Triticum aestivum L.) durch eine geschickte Kombination von Energiefrüchten aufgezeigt werden. Ein Schwerpunkt lag hierbei auf Halmbasisfusarium und die Ausbreitung des Mykotoxins Deoxynivalenols (DON) von der Halmbasis bis in die Ähre. Hierzu wurden vier Fruchtfolgen mit einer unterschiedlichen Dichte an Ackerkulturen etabliert: (1) Maisdaueranbau, (2) Raps – Winterweizen, (3) Raps – Grünroggen/Mais – Winterweizen und (4) Raps – Winterweizen – Grünroggen/Mais – Winterweizen. Der Versuch wurde auf Versuchsflächen der Universitäten Göttingen und Rostock äquivalent angelegt. Die Erhebungen erfolgten in den Jahren 2010 und 2011. Die Bedeutung der halmbürtigen Mykotoxine für die Belastung des Korns wurde in ergänzenden Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Durch eine visuelle Befallsbonitur im Entwicklungsstadium (ES) der späten Milchreife (ES 77) erfolgte die Ermittlung der Befallshäufigkeit von Rhizoctonia cerealis, Oculimacula yallundae/acuformis, Fusarium spp. und Gaeumannomyces graminis var. tritici an der Halmbasis bzw. Wurzel von Weizen. Mykotoxinnachweise (ELISA-Test) des Leittoxins Deoxynivalenol (DON) und DNA-Quantifizierungen (qPCR) von toxinproduzierenden Fusariumarten in Pflanzen aus Feld-, Gewächshaus- und Klimakammerversuchen gaben weiterhin Aufschluss über die Mykotoxinbelastung der Pflanze und systemische Verlagerung von DON nach einem Befall der Halmbasis von Winterweizen mit Fusarium culmorum und F. graminearum. R. cerealis hatte mit einer Befallshäufigkeit von unter 0,5% in beiden Untersuchungsjahren 2010 und 2011 kaum eine Bedeutung. Erhöhte Befallshäufigkeiten konnten für G. graminis var. tritici mit ca. 20% im Jahr 2010 am Standort in Göttingen und 2011 am Standort in Rostock festgestellt werden. Die Befallswerte waren mit <5 sehr niedrig. Für O. yallundae/acuformis konnten leicht erhöhte Befallshäufigkeiten von maximal 25% bzw. 37% an den Standorten in Rostock und Göttingen im Jahr 2010 festgestellt werden. Im letzten Untersuchungsjahr waren die Befallshäufigkeiten mit 7% bzw. 15% an den Standorten Göttingen und Rostock auf einem niedrigen Niveau. Die zweijährigen Erhebungen in den Jahren 2010 und 2011 machten deutlich, dass Fusarium spp. der dominierende Erreger mit 28% am Standort in Göttingen und 63% am Standort in Rostock an der Halmbasis im Mittel der Jahre war. Es zeigte sich für das Abschlussjahr 2011, dass nach dem Jahreseffekt die Fruchtfolge (18% am Standort in Göttingen) bzw. die Interaktion aus Fruchtfolge und Jahreseffekt (19% am Standort in Rostock) den größten Einfluss auf die Befallshäufigkeit von Fusarium spp. hatte. Die Bewertung der Fruchtfolgen erfolgte anhand der Befallshäufigkeiten von O. yallundae/acuformis und Fusarium spp., die am häufigsten in dieser Untersuchung auftraten. Der Vergleich fand auf Grundlage der Befallshäufigkeiten in der Variante ohne Fungizidapplikation statt und wurde mit denen der Variante mit dem situationsbezogenen Pflanzenschutz verglichen. Es konnte festgestellt werden, dass bei beiden Krankheiten die kurze Fruchtfolge 2 (Raps-Weizen) die höchsten Befallshäufigkeiten aufwies. Eine Fungizidapplikation führte häufig zu einer Reduktion des Befalls in den einzelnen Fruchtfolgen, was aber nicht immer statistisch absicherbar war. Am stärksten reduzierten sich die Befallshäufigkeiten, wenn die Fruchtfolgen aufgelockert wurden. Durch die Eingliederung einer Maiskultur in Kombination mit einer Zwischenfrucht wurde die enge Raps-Weizen Folge unterbrochen, wie es in Fruchtfolge 3 (Raps-Zwischenfrucht/Mais-Weizen) zu erkennen war. Zusätzlich zeigte der unterschiedliche Aussaattermin (früh/spät) in den Anbausystemen einen hochsignifikanten Einfluss (p = 0,000) auf die Befallshäufigkeiten, insbesondere Frühsaaten förderten den Befall. Im Fall von Fusarium spp. zeigte der Vergleich der Fruchtfolgen 2 und 3 eine Reduktion der Befallshäufigkeit um ca. 70% an den Standorten in Göttingen und Rostock. Durch die Fungizidmaßnahme in Fruchtfolge 2 und 3 reduzierte sich der Befall am Standort in Göttingen um weitere 40-50%. Für O. yallundae/acuformis wurde der Unterschied der Fruchtfolgen 2 und 3 noch deutlicher. Die Befallshäufigkeiten reduzierten sich um nahezu 100% an den Standorten in Göttingen und Rostock. Der Vergleich zur Variante mit situationsbezogenem Pflanzenschutz in der Fruchtfolge 2 machte deutlich, dass die Pflanzenschutzmaßnahme den Befall signifikant um 50% reduzierte. Die Belastungen der Kornproben mit dem Mykotoxin DON waren sehr gering, wohingegen die Weizenstoppel der Fruchtfolge 4 in der Variante PS-F0 mit bis zu 6000 µg DON/kg TM kontaminiert war. Proben der Fruchtfolge 3 mit 33% Weizenanteil wiesen mit 2500 µg/kg TM die niedrigsten Gehalte an DON auf. In den Fruchtfolgen 2 und 4 mit 50% Weizenanteil wurden nahezu doppelt so hohe Mengen an DON festgestellt. Im Mittel reduzierte die Fungizidmaßnahme zu ES 31 und 51/55 den DON-Gehalt in der Stoppel signifikant um 50%. Der DON-Nachweis im Substrat der Ganzpflanze von Mais zeigte für den Maisdaueranbau leicht erhöhte Werte von 1800 µg DON/kg TM. Mit abnehmendem Maisanteil in der Fruchtfolge reduzierten sich die DON-Gehalte im Maissubstrat. In Proben der Fruchtfolge 4 mit 25% Maisanteil wurde ein um 80% geringerer DON-Gehalt ermittelt. Die ausgewiesene Grünroggensorte Borfuro wies nach künstlicher Infektion an der Halmbasis mit F. graminearum in Gewächshausversuchen über 4500 µg DON/kg TM in der Ganzpflanze zu ES 73 auf und war damit doppelt hoch mit DON kontaminiert wie eine konventionelle Roggensorte. Dieser signifikante Sortenunterschied wurde durch die Bestimmung pilzlicher DNA in der Halmbasis bestätigt. Durch den Rostocker Aktivitätstest mit hoch DON-belastetem Grünroggen im Mini-Batch Verfahren konnte gezeigt werden, dass DON keine inhibitorische Wirkung auf den Fermentationsprozess hat. Es wurde aber eine 10% geringere Gasausbeute in den Varianten mit kontaminiertem Material festgestellt. Kurze Fruchtfolgen mit Energiepflanzen (Raps–Weizen) führen zu nicht unerheblichen Befallshäufigkeiten von O. yallundae/acuformis und Fusarium spp. an der Halmbasis von Weizen. Eine Kombination der Energiefrüchte Raps, Mais und Weizen in Verbindung mit einem späten Saattermin und wendender Bodenbearbeitung verhindert fast vollständig das Auftreten von O. yallundae/acuformis und reduziert signifikant den Befall mit Fusarium spp. an Weizen. Fruchtfolgen mit einem hohen Anteil von Mais bzw. führen auch zu hohen Gehalten an DON im Ganzpflanzensubtstrat von Mais bzw. in der Halmbasis von Weizen. Zwar hat die Toxinbelastung des Ganzpflanzensubstrats von Mais keine negativen Auswirkungen auf den Gärprozess, aber ist die Gasausbeute reduziert. Es Auswirkungen von Fusariuminfektionen auf die Gärqualität von Mais sollten daher in weiteren Untersuchen näher betrachtet werden.

Diese Arbeit hat das Ziel zu prüfen, inwieweit Energiepflanzen, die zur Erzeugung von Bioethanol verwendet werden sollen, für eine Phytoremediation SM-kontaminierter Flächen geeignet sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden Topinambur/Kartoffel (Knollen-pflanzen), Zuckerrübe und Winterroggen auf SM/R- haltigem Boden angebaut und die Abhängigkeit des Pflanzenwachstums und der SM-Aufnahme von den SM/R- Konzentrationen, den pH- Bedingungen und der Zugabe verschiedener Zuschlagsstoffe (zur Verbesserung der Bodenbedingungen und des Pflanzenwachstums) untersucht. Anschließend wurden Gärversuche zur Erzeugung von Bioethanol mit den belasteten Pflanzenresten durchgeführt. Weiterhin wurde auch eine Bilanzierung des Verbleibs von Schwermetallen in den verschiedenen Produkt- und Abproduktströmen durchgeführt. Um die Praktikabilität dieses Verfahrens zu untersuchen, wurde am Ende dieser Arbeit eine Energiebilanz durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit betrachtet. Eine solche Kopplung der Phytoremediation mit einer anschließenden Erzeugung von Bioethanol ist bisher noch nicht aus der Literatur bekannt. Im Laufe der Arbeiten und Versuche hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln, Roggen und Topinambur auch unter den vorhandenen Bodenbedingungen (niedriger pH-Wert, wenig verfügbarer Stickstoff und Phosphor) uneingeschränkt möglich ist. Die Erträge von Topinambur und Winterroggen waren am besten bei mineralischer Düngung, ohne eine Intervention im organischen Substanzgehalt und im pH-Wert des Bodens, aber nur durch ausreichende Düngung mit Stickstoff. Die Vergärung aller Pflanzen verläuft unproblematisch, die Ausbeute aus 100 kg Rohstoff ist vergleichbar mit unkontaminiertem Pflanzenmaterial. Die Gärflüssigkeit aus der Vergärung aller Pflanzen und der feste Gärrest aus der Winterroggen- und Zuckerrübenvergärung lässt sich gesetzeskonform als Dünger nutzen. Der feste Gärrest aus der Kartoffel- und Topinamburgärung darf wegen einer Überschreitung der Grenzwerte von Cd und Ni nicht als Dünger verwertet werden. Er muss einer anderen Verwendung zugeführt werden (z.B. Verbrennung und Deponie). Der beste Austrag von Metallen pro Hektar in einer Vegetationszeit kann mit Topinambur erreicht werden (5189 g Al, 568 g Ni, 18,6 g Cd und 2,1 g U). Das Energiegewinn/Energieeintrag-Verhältnis, wenn nur die Pflanzenteile, die Stärke oder direkt vergärbare Zucker enthalten, in Alkohol umgewandelt werden, überschritt im Fall der Kartoffel (1,13) und des Winterroggens (1,16) den Wert 1 und im Fall der Zuckerrübe wurde fast der Wert 1 erreicht. Ein monetärer Gewinn ist zu erzielen mit der Alkoholherstellung aus Zuckerrüben, Winterroggen und Kartoffeln. Den besten Gewinn gewährleisten die Zuckerrübe mit über 1000 €/ha und der Winterroggen mit 447 €/ha. Ein solches Verfahren kann einen Beitrag zur schonenden Rekultivierung schwermetall-kontaminierter Flächen leisten (Habitaterhaltung, geringere Hypotheken für zukünftige Generationen), die Kosten der gesamten Sanierung durch einen Erlös senken sowie einen Beitrag zur Erzeugung eines CO2-neutralen Energieträgers leisten.

Diese Arbeit hat das Ziel zu prüfen, inwieweit Energiepflanzen, die zur Erzeugung von Bioethanol verwendet werden sollen, für eine Phytoremediation SM-kontaminierter Flächen geeignet sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden Topinambur/Kartoffel (Knollen-pflanzen), Zuckerrübe und Winterroggen auf SM/R- haltigem Boden angebaut und die Abhängigkeit des Pflanzenwachstums und der SM-Aufnahme von den SM/R- Konzentrationen, den pH- Bedingungen und der Zugabe verschiedener Zuschlagsstoffe (zur Verbesserung der Bodenbedingungen und des Pflanzenwachstums) untersucht. Anschließend wurden Gärversuche zur Erzeugung von Bioethanol mit den belasteten Pflanzenresten durchgeführt. Weiterhin wurde auch eine Bilanzierung des Verbleibs von Schwermetallen in den verschiedenen Produkt- und Abproduktströmen durchgeführt. Um die Praktikabilität dieses Verfahrens zu untersuchen, wurde am Ende dieser Arbeit eine Energiebilanz durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit betrachtet. Eine solche Kopplung der Phytoremediation mit einer anschließenden Erzeugung von Bioethanol ist bisher noch nicht aus der Literatur bekannt. Im Laufe der Arbeiten und Versuche hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln, Roggen und Topinambur auch unter den vorhandenen Bodenbedingungen (niedriger pH-Wert, wenig verfügbarer Stickstoff und Phosphor) uneingeschränkt möglich ist. Die Erträge von Topinambur und Winterroggen waren am besten bei mineralischer Düngung, ohne eine Intervention im organischen Substanzgehalt und im pH-Wert des Bodens, aber nur durch ausreichende Düngung mit Stickstoff. Die Vergärung aller Pflanzen verläuft unproblematisch, die Ausbeute aus 100 kg Rohstoff ist vergleichbar mit unkontaminiertem Pflanzenmaterial. Die Gärflüssigkeit aus der Vergärung aller Pflanzen und der feste Gärrest aus der Winterroggen- und Zuckerrübenvergärung lässt sich gesetzeskonform als Dünger nutzen. Der feste Gärrest aus der Kartoffel- und Topinamburgärung darf wegen einer Überschreitung der Grenzwerte von Cd und Ni nicht als Dünger verwertet werden. Er muss einer anderen Verwendung zugeführt werden (z.B. Verbrennung und Deponie). Der beste Austrag von Metallen pro Hektar in einer Vegetationszeit kann mit Topinambur erreicht werden (5189 g Al, 568 g Ni, 18,6 g Cd und 2,1 g U). Das Energiegewinn/Energieeintrag-Verhältnis, wenn nur die Pflanzenteile, die Stärke oder direkt vergärbare Zucker enthalten, in Alkohol umgewandelt werden, überschritt im Fall der Kartoffel (1,13) und des Winterroggens (1,16) den Wert 1 und im Fall der Zuckerrübe wurde fast der Wert 1 erreicht. Ein monetärer Gewinn ist zu erzielen mit der Alkoholherstellung aus Zuckerrüben, Winterroggen und Kartoffeln. Den besten Gewinn gewährleisten die Zuckerrübe mit über 1000 €/ha und der Winterroggen mit 447 €/ha. Ein solches Verfahren kann einen Beitrag zur schonenden Rekultivierung schwermetall-kontaminierter Flächen leisten (Habitaterhaltung, geringere Hypotheken für zukünftige Generationen), die Kosten der gesamten Sanierung durch einen Erlös senken sowie einen Beitrag zur Erzeugung eines CO2-neutralen Energieträgers leisten.

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.