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296 Research products

  • Rural Digital Europe
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  • Elektronische Publikationen der Universität Hohenheim

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    Authors: Münd, Benjamin;

    Der Konzern CNH Industrial beinhaltet drei Marken, die landwirtschaftliche Maschinen produzieren. Diese sind Case IH, Steyr und New Holland. Durch Fusionen und Zusammenschlüsse in der Vergangenheit wurden diese ehemals eigenständigen Hersteller in eine Firma überführt. Um die Profitabilität des neu gegründeten Konzerns zu steigern, wurden damals wie heute Synergien genutzt, die Produktionskomplexität reduziert und vermehrt auf Plattformlösungen mit einer hohen Anzahl an identischen Teilen gesetzt. Durch diesen Harmonisierungsprozess wurde zum einen die Markendifferenzierung, aber auch die Produktdifferenzierung der drei Marken bei dem Portfolio der Traktoren ab 51 PS stark eingeschränkt. Dies führte zu einer höheren Vergleichbarkeit und folglich zu einem stärkeren Wettbewerb zwischen den drei Marken, der insbesondere durch die Struktur des Vertriebsnetzwerkes verstärkt wird. Während Case IH & Steyr sich den gleichen Vertriebspartnerkanal teilen, unterhält New Holland einen vollständig getrennten Vertriebskanal. Dies führt zu einem starken Wettbewerb zwischen den Handelspartnern innerhalb des Konzerns, da jeder Vertriebspartner nach seinem eigenen wirtschaftlichen Erfolg strebt und somit im Markt als Konkurrent auftritt. Durch den internen Wettbewerb zwischen den 3 Schwestermarken wird der Wettbewerb zu anderen Marken außerhalb des CNH Industrial Konzerns geschwächt, was interne Kannibalisierungseffekte nach sich zieht und die Profitabilität der drei Marken, der Vertriebspartner und CNH Industrial im Allgemeinen gefährdet. Der Wandel in der europäischen Landwirtschaft führt zu größeren Betrieben und damit einhergehend zu geringeren Zulassungszahlen für Traktoren, was den Wettbewerb zwischen den Traktorenherstellern zusätzlich intensiviert. Eine Befragung von Landwirten und landwirtschaftlichen Lohnunternehmern aus Deutschland, dem Vereinigten Königreich und Frankreich zeigt, dass eine Marken- und Produktdifferenzierung sinnvoll wäre und einen nachhaltigen Mehrwert für alle drei Marken und den Mutterkonzern CNH Industrial schaffen würde. Aufgrund der traditionsreichen Geschichte aller drei Marken und der langjährigen Kundenbeziehungen ist eine Fusion zu einer CNH Industrial-Marke nicht effizient und zielführend. Es ist wichtig, für jede Marke die richtige(n) Kundengruppe(n) zu identifizieren, die Anforderungen der Kunden zu kennen und die passenden Produkte und technischen Lösungen anzubieten. Das Netzwerk an Vertriebspartnern ist dabei ein entscheidender Erfolgsfaktor für eine effiziente Marktbearbeitung. Die Professionalität der Händler bestimmt maßgeblich den Erfolg einer Traktormarke und ihrer Produkte am Markt und die Wahrnehmung der Traktoren durch Landwirte und Lohnunternehmer. Die Professionalisierung des Handels sowie eine gute Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Vertriebspartner sind unerlässlich. Auch das Land, in dem die Produktion der Traktoren stattfindet, hat einen erhebliche Einfluss auf die Kundenwahrnehmung und Wertschätzung. „Made in Germany“ ist nach wie vor ein Qualitätsmerkmal und erklärt teilweise die hohe Wertschätzung der Kunden gegenüber Fendt und John Deere als Premium-Traktoren für professionelle Landwirte und Lohnunternehmer. Steyr, als eine Marke von CNH Industrial, die ausschließlich Traktoren herstellt, hat das Potential sich zu einer Premium-Traktorenmarke in Europa zu etablieren. Aufgrund geringer negativer Konnotationen der Kunden und einer traditionsreichen Vergangenheit hat die Marke eine gute Ausgangslage dieses Ziel zu erreichen. Abschließend kann gesagt werden, dass es vielfältige Möglichkeiten gibt, eine Differenzierung zu erreichen, die von den Kunden auch als solche wahrgenommen wird. Einige Maßnahmen sind jedoch nur mittel- und langfristig realisierbar. Eine Produktdifferenzierung ist sinnvoll, um eine breite Kundenbasis zu erreichen. Unbestritten ist allerdings, dass eine Produktdifferenzierung mit hohen Investitionen verbunden ist. Ob es für die CNH Industrial Gruppe wirtschaftlich nachhaltig ist, muss noch evaluiert werden. CNH Industrial unites three agricultural brands, Case IH, Steyr and New Holland. With miscellaneous mergers in the past, these former independent manufacturers of agricultural equipment were combined in one company. A lot of synergies were used and are still being used to maximize the profit of the parent company CNH Industrial and to reduce complexity. Through this harmonization process, the tractor models of the three brands became more and more similar with less distinctive features which leads to a high comparability of the brands Case IH, Steyr and New Holland and its tractor product line up above 55 hp. This results in a strong competition between these brands because in most countries the dealer network is separated for New Holland and Case IH/Steyr and every distribution partner is independent and strives for their own profitability. Due to this, the internal competition prevents external competition with tractors from other manufacturers, which generates cannibalization effects and reduces the profit of the three brands, CNH Industrial and the dealers. Structural changes in the European agriculture led to bigger farms with in total less tractor registrations per year what intensifies additionally the competition for tractor manufacturers. A survey with farmers and contractors from Germany, UK and France showed, that a brand and product differentiation would make sense and would bring a sustainable benefit for all three brands and their parent company CNH Industrial. Because of the history of all three brands and loyal long-term customers, a merger to one CNH Industrial brand is not efficient and expedient. It is important to identify the right customer group for each brand, to know the customers’ requirements and to offer the appropriate products and technical solutions. The network of distribution partners (dealers) is the key factor for an efficient market development. The professionalism of the dealers is mainly determining the success of a brand and its products in the market and the perception of the farmers and contractors. The professionalization of the dealer and collaboration between manufacturing company and dealer is essential. Also, the country of production of the tractors has a significant impact on the customer perception and appreciation. “Made in Germany” is still a quality characteristic and explains partially the high appreciation of Fendt and John Deere as premium tractors for professional farmers and contractors. Steyr as one brand of CNH Industrial AG which only produces tractors has a valid potential to establish to a premium tractor brand in Europe. Due to little negative connotations of customers and a straightforward history the brand has a good base for this development purpose. Bottom line, there are manifold possibilities to achieve a differentiation that is perceived by the customers as such. However, several actions are only feasible mid- or long-term. A product differentiation makes sense to reach a broad base of customers. Certainly, it is undisputed that a product differentiation is connected to high investment. If it is economically viable for the CNH Industrial group remains to be evaluated.

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    Authors: Niño Savala, Andrea Giovanna;

    The problem of polluted agricultural lands with heavy metals due to anthropogenic activities, including applying phosphorous (P) fertilizers polluted with cadmium (Cd) and other metal such as uranium, has been extensively studied. Several reviews, including the one in the present dissertation, have elaborated this issue with often the same results: the application of P fertilizers with high Cd levels is strongly correlated to Cd accumulation in arable soil, which could imply environmental risks as well as health risks for humans and animals through the food chain. Therefore, these reviews have often the same conclusion: the application of low Cd-P fertilizers, either mineral, organic or recycled, is diminishing the risks of Cd pollution at the soil, crop and consumption level. However, globalization, trade politics, economy, dependency on Morocco mineral P fertilizers, and the finite stock in the raw material have challenged this possibility, especially in the European Union. Meanwhile, in China, polluted arable soils are related to other anthropogenic activities and type of fertilizers rather than Cd-polluted phosphate rock and mineral P fertilizers. At the farm level, other options to diminish Cd pollution in soil and crops, besides low Cd-P fertilizers, could consist of different fertilizer and crop management. These options were studied in this dissertation. A different P management, including different rate applications and placements, did not influence the total Cd concentration in silage maize grown in Germany, regardless of the developmental stage of the crop and the Cd levels in P fertilizer. Silage maize might take up Cd derived from P fertilizers under unpolluted soils, without high risks due to its high biomass production. However, significant changes in the labile Cd fraction were already visible after applying Cd-polluted P fertilizers at 150% of the required amount to the soil after only two growing seasons. Further research should be done to understand the correlations between the bioavailable metal fraction and the actual Cd uptake by silage maize, especially in unpolluted soils. This recommendation also follows the meta- analysis results presented in the second publication, which indicated a possible bias as most of the studies are performed under polluted conditions. Considering the results of the third and fourth publication, the Cd uptake by silage maize was strongly correlated to labile Zn in the soil and the Zn uptake at the early development stage after two field seasons. Placed P fertilizer had a significant and negative effect on the Zn uptake by young silage maize. Further research is needed to understand the behavior of Cd and Zn in the uptake process by maize under P fertilization in unpolluted soils. According to three of the four publications presented in this dissertation, the soil pH was the main soil characteristic influencing the bioavailability and the plant uptake of Cd under unpolluted conditions, regardless of the P treatment, the development stage, and the maizes intended use. However, the total Cd concentration in the soil was the dominant variable for the Cd concentration in maize grain when the soil was polluted with high Cd levels, which was the case in several experiments analyzed in the second publication. P fertilizers with average Cd contamination might enhance labile Cd accumulation in arable land and crops when applied to low biomass crops, such as wheat and legume crops. In this regard, crop management such as crop rotation in the central field experiment indicated that the wheat rotation induced a lower Cd accumulation in maize-soil systems, owing to wheat likely accumulating Cd at higher levels than other crops. The results presented in the second publication also indicated high Cd accumulation by the wheat crop: the wheat grain accumulated more Cd than the maize grain. Thus, potential hazards related to Cd accumulation in wheat grain should also be considered in wheat-maize systems. In conclusion, suitable crop rotations considering the crop-specific potential of Cd accumulation, efficient P management including soil P levels and nutrient use efficiency, and low Cd-P fertilizers remain the most viable options and the main challenge to avoid Cd accumulation in arable soils. Das Problem der Belastung landwirtschaftlicher Flächen mit Schwermetallen aufgrund anthropogener Aktivitäten, einschließlich des Einsatzes von Phosphor-(P)-Düngemitteln, die mit Cadmium (Cd) und anderen Metallen wie Uran verunreinigt sind, wurde bereits ausführlich untersucht. Mehrere Reviews, einschließlich des Reviews in der vorliegenden Dissertation, haben sich mit diesem Thema befasst und sind häufig zu dem gleichen Ergebnis gekommen: die Anwendung von P-Düngemitteln mit hohem Cd-Gehalt korreliert stark mit der Cd-Anreicherung in Ackerböden, was wiederum sowohl Umweltrisiken als auch Gesundheitsrisiken für Menschen und Tiere über die Nahrungskette zur Folge haben könnte. Daher haben diese Reviews oftmals dieselbe Schlussfolgerung: die Anwendung von mineralischen, organischen oder recycelten P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen reduziert die Cd-Belastung auf den Ebenen Boden, Pflanze und Konsum. Die Globalisierung, die Handelspolitik, die Wirtschaft, die Abhängigkeit von P-Mineraldüngern aus Marokko und die Endlichkeit des Rohstoffs erschweren diese Möglichkeit, insbesondere in der Europäischen Union. Währenddessen stehen in China verunreinigte Ackerböden im Zusammenhang mit anderen anthropogenen Aktivitäten und anderen Arten von Düngemitteln als mit Cd-verunreinigtem Phosphatgestein und mineralischen P- Düngemitteln. Andere Möglichkeiten neben P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen, um Cd- Verschmutzung auf Betriebsebene in Böden und Pflanzen zu verringern, könnten in einem anderen Dünge- und Pflanzenmanagement bestehen. Diese Möglichkeiten wurden in der vorliegenden Dissertation untersucht. Ein anderes P-Management, einschließlich verschiedener Anwendungsmengen und Platzierungen, hatte keinen Einfluss auf die Gesamtkonzentration an Cd bei Silomais, welcher in Deutschland angebaut wurde, unabhängig vom Entwicklungsstadium der Pflanzen und der Cd-Anteile in den P- Düngemitteln. Silomais könnte auf unbelasteten Böden Cd aus P-Düngemitteln aufnehmen, ohne dass wegen der hohe Biomasseproduktion ein hohes Risiko besteht. Signifikante Veränderungen des labilen Cd-Anteils im Boden waren bereits nach der Ausbringung von Cd-verunreinigten P-Düngemitteln in Höhe von 150% der erforderlichen Menge nach nur zwei Vegetationsperioden zu erkennen. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen der bioverfügbaren Metallfraktion und der tatsächlichen Cd- Aufnahme von Silomais zu verstehen, insbesondere in unbelasteten Böden. Diese Empfehlung folgt den Ergebnissen der Metaanalyse in der zweiten Publikation, welche eine mögliche Verzerrung zeigt, da die meisten Studien unter belasteten Bedingungen durchgeführt wurden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der dritten und vierten Veröffentlichung, korrelierte die Cd-Aufnahme von Silomais mit dem Anteil an labilem Zink (Zn) im Boden und mit der Zn-Aufnahme im frühen Entwicklungsstadium innerhalb von zwei Vegetationsperioden. Platzierte P-Düngung hatte einen signifikanten und negativen Einfluss auf die Zn-Aufnahme durch jungen Silomais. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das Verhalten von Cd und Zn bei der Aufnahme von Mais mit P-Düngemitteln in unbelasteten Böden zu verstehen. In drei der vier Publikationen der vorliegenden Dissertation war der Boden-pH die wichtigste Bodeneigenschaft mit Einfluss auf die Bioverfügbarkeit und die Pflanzenaufnahme von Cd unter unbelasteten Bedingungen, unabhängig von der P-Anwendung, vom Entwicklungsstadium und der beabsichtigten Maisnutzung. Hingegen war die Gesamt-Cd- Konzentration die dominante Variable für die Cd-Konzentration in den Maiskörnern, wenn der Boden mit hohen Cd-Leveln verunreinigt war, was in einigen Experimenten der Fall war, die in der zweiten Publikation analysiert wurden. P-Düngemittel mit durchschnittlicher Cd-Kontamination könnten die labile Cd- Anreicherung in Ackerböden und Pflanzen verbessern, wenn sie auf Pflanzen mit geringer Biomasse, wie Weizen und Leguminosen, ausgebracht werden. In dieser Hinsicht wiesen Pflanzenbaumanagementmaßnahmen wie die Fruchtfolge im Hauptfeldexperiment darauf hin, dass eine Fruchtfolge mit Weizen zu einer geringeren Cd-Akkumulation in Maisanbausystemen führt, was darauf zurückzuführen ist, dass Weizen wahrscheinlich höhere Cd-Konzentrationen anreichert als andere Kulturen. Die Ergebnisse in der zweiten Publikation deuteten ebenfalls auf eine Cd-Akkumulation der Weizenpflanze hin: Die Weizenkörner reicherten mehr Cadmium an als die Maiskörner. Daher sollte das Gefahrenpotential in Weizenkörnern auch bei Weizen-Mais-Fruchtfolgen betrachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass geeignete Fruchtfolgen unter Berücksichtigung des pflanzenspezifischen Potentials der Cd-Anreicherung, eines effizienten P-Managements, das den P-Gehalt im Boden und der Effizienz der Nährstoffnutzung einschließt, sowie P- Düngemittel mit niedrigem Cd-Gehalt nach wie vor die praktikabelsten Optionen und die Hauptherausforderung zur Vermeidung von Cd-Anreicherung in Ackerböden bleiben.

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    Authors: You, Yawen;

    Phosphorus (P) is an essential macronutrient for plants. Plant roots assimilate P in soil mainly in the form of orthophosphates as H2PO4- and HPO42-. Due to the high reactivity, orthophosphates generally exist at low concentrations in soils that have high P sorption capacity. Besides the indigenous P in soil, fertilizers manufactured from phosphate rock are the main source of P to ensure a satisfactory yield in agricultural production. However, phosphate rock is a limited reserve with uneven quality and is geographically restricted. Technologies for recovering and reusing the P from waste streams were therefore developed to alleviate the dependency on this critical raw material and to promote sustainable solutions. Sewage sludge, which contains most of the P from wastewater, has great potential to produce P-rich products. However, the evaluation of their P availabilities to plants by simple chemical extraction of the product is difficult because they often contain different P species that do not easily dissolve in water. In the first chapter, three types of recycled P fertilizers derived from sewage sludge were tested first in the greenhouse using maize in two different substrates and were incubated in soil for 0, 22, and 56 days. Untreated sewage sludge ash (SSA), Na-treated SSA, and struvite were tested here. Untreated SSA failed to promote the growth of young maize, while Na-treated SSA and struvite achieved similar biomass as mineral P fertilizer. The pre-incubation time had a negative impact on the P use efficiency of recycled fertilizers. Although the P availability of untreated SSA was very low, it might be a potential substitute for phosphate rock to produce fertilizers. In Chapter II, the P availability and heavy metal contamination risk of superphosphate produced with untreated SSA in the lab were investigated. It was found that the superphosphate produced with the mixture of 25% SSA and 75% rock phosphate had a similar P use efficiency as the superphosphate produced with 100% rock phosphate, indicating untreated SSA could be a suitable substitution of rock phosphate in the P fertilizer production. Despite the heavy metal accumulations in soil and plant being minimal, the Pb and Cu concentration in untreated SSA exceeded the maximum limit according to the EU regulation on fertilizers and therefore its use is restricted in fertilizer production. The separation of industrial and municipal sludge before incineration is recommended to obtain SSAs with high P concentrations but less heavy metal. In Chapter III, the P availability of granulated struvite as affected by fertilizer application methods in comparison to di-ammonium phosphate (DAP) was investigated under field conditions. The experiment was conducted in one field in 2020 and repeated in an adjacent field in 2021. Two-year maize results showed an increase of 30% in maize yield and P content when struvite was placed, indicating that fertilizer placement enhanced the efficiency of granulated struvite. Struvite-placed had similar P use efficiency as DAP-placed, and both treatments led to significantly higher yield and P content of maize than no-P control. The residual effect of fertilizer treatment was evaluated with faba bean (Vicia faba) and triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) as subsequent crops after maize. No significant difference in yield and P content was found between struvite-placed and DAP-placed. Nevertheless, this chapter demonstrated that placed struvite can replace DAP as P fertilizer in maize cultivation. In Chapter IV, the sensitivity of three P extraction methods to different P species was investigated to provide insights into the characterization of current soil P tests to plant P availability. Three soil P tests were compared: calcium acetate-lactate (CAL), Olsen, and diffusive gradients in thin films (DGT). Results showed that a portion of added orthophosphates was immediately fixed in the soil and cannot be extracted by any of the methods. The acidic CAL method may overestimate immediately plant-available P of insoluble calcium phosphate like Ca3(PO4)2. The most suitable method to determine immediately available P might be the Olsen and DGT method. To conclude, this dissertation demonstrated the P availability of recycled P fertilizers derived from sewage sludge and possible strategies to enhance their P use efficiencies. It provided agronomic evidence on the feasibility of replacing phosphate rock-derived P fertilizers with recycled fertilizers and insight into its land application. With the recently revised EU regulation on fertilizing products, it can be expected that recycled fertilizers will soon share the market with mineral fertilizers and help develop sustainable agriculture. Phosphor (P) ist ein wesentlicher Makronährstoff für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Pflanzenwurzeln assimilieren P im Boden hauptsächlich in Form von Orthophosphaten wie H2PO4- und HPO42-. Aufgrund der hohen Reaktivität liegen Orthophosphate in Böden, die eine hohe P-Sorptionskapazität haben, oft in geringen Konzentrationen vor. Neben dem bodeneigenen P sind aus Phosphorit hergestellte Düngemittel die wichtigste P-Quelle, um einen zufriedenstellenden Ertrag in der landwirtschaftlichen Produktion zu gewährleisten. Rohphosphat ist jedoch eine begrenzte Reserve mit uneinheitlicher Qualität und geografisch sehr ungleich verteilt mit nur geringen Vorkommen in Europa. Technologien zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von P aus Abfallströmen wurden entwickelt, um die Abhängigkeit von diesem wichtigen Rohstoff zu verringern und nachhaltige Lösungen zu fördern. Klärschlamm, der den größten Teil des P im Abwasser enthält, hat ein großes Potenzial zur Herstellung von P-reichen Produkten. Die Bewertung ihrer P-Verfügbarkeit für Pflanzen durch einfache chemische Extraktion des Produkts ist jedoch schwierig, da sie oft verschiedene P-Fraktionen enthalten, die sich nicht leicht in Wasser auflösen. Im ersten Kapitel wurden drei Arten von recyceltem P-Dünger aus Klärschlamm zunächst im Gewächshaus mit Mais in zwei verschiedenen Substraten getestet und 0, 22 und 56 Tage lang im Boden bebrütet. Hier wurden unbehandelte Klärschlammasche (SSA), Na-behandelte SSA und Struvit getestet. Unbehandeltes SSA förderte das Wachstum von jungem Mais nicht, während mit Na-behandeltem SSA und Struvit eine ähnliche Biomasse erreicht wurde wie mit mineralischem P-Dünger. Die Vorinkubationszeit wirkte sich negativ auf die P-Nutzungseffizienz der recycelten Düngemittel aus. Obwohl die P-Verfügbarkeit von unbehandeltem SSA sehr gering war, könnte es ein möglicher Ersatz für Rohphosphat zur Herstellung von Düngemitteln sein. In Kapitel II untersuchten wir die P-Verfügbarkeit und das Risiko einer Schwermetallverunreinigung von Superphosphat, das mit unbehandeltem SSA im Labor hergestellt wurde. Wir fanden heraus, dass das mit einer Mischung aus 25 % SSA und 75 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat fast die gleiche P-Nutzungseffizienz aufwies wie das mit 100 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat, was darauf hindeutet, dass unbehandeltes SSA ein geeigneter Ersatz für Rohphosphat in der P-Düngerproduktion sein könnte. Obwohl die Anreicherung von Schwermetallen im Boden und in den Pflanzen minimal war, überstieg die Pb- und Cu-Konzentration in unbehandeltem SSA den Höchstwert gemäß der EU-Düngemittelverordnung, so dass seine Verwendung in der Düngemittelproduktion eingeschränkt ist. Die Trennung von Industrie- und Kommunalschlämmen vor der Verbrennung wird empfohlen, um SSA mit hohen P-Konzentrationen, aber weniger Schwermetallen zu erhalten. In Kapitel III untersuchten wir die P-Verfügbarkeit von granuliertem Struvit im Vergleich zu Diammoniumphosphat (DAP) unter Feldbedingungen in Abhängigkeit von der Art der Düngung. Der Versuch wurde im Jahr 2020 auf einem Feld durchgeführt und 2021 auf einem benachbarten Feld wiederholt. Die Ergebnisse für zweijährigen Mais zeigten eine Steigerung des Maisertrags und des P-Gehalts um 30 %, wenn Struvit unterfußdüngt wurde, was darauf hindeutet, dass die Unterfußdüngung von Dünger die Effizienz von granuliertem Struvit erhöht. Bei der Unterfußdüngung, hatte Struvit eine ähnliche P-Nutzungseffizienz wie DAP, und beide Behandlungen führten zu einem signifikant höheren Ertrag und P-Gehalt von Mais als die Kontrolle ohne P. Der Residualeffekt der Düngerbehandlung wurde mit Ackerbohne (Vicia faba) und Triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) als Folgekulturen nach Mais untersucht. Es wurde kein signifikanter Unterschied im Ertrag und P-Gehalt zwischen Struvit- und DAP-Düngung festgestellt. Dennoch hat dieses Kapitel gezeigt, dass unterfußdüngtes Struvit DAP als P-Dünger im Maisanbau ersetzen kann. In Kapitel IV wurde die Empfindlichkeit von drei P-Extraktionsmethoden gegenüber verschiedenen P-Fraktionen untersucht, um Einblicke in die Vorhersage aktueller Boden-P-Tests zur P-Verfügbarkeit in Pflanzen zu erhalten. Drei Boden-P-Tests wurden verglichen: Calciumacetat-Lactat (CAL), Olsen und Diffusionsgradienten in dünnen Schichten (DGT). Die Ergebnisse zeigten, dass ein Teil der zugesetzten Orthophosphate sofort im Boden fixiert wurde und mit keiner der Methoden extrahiert werden kann. Die Extraktion mit der sauren CAL-Lösung kann den unmittelbar pflanzenverfügbaren P von unlöslichem Kalziumphosphat wie Ca3(PO4)2 überschätzen. Die geeignetste Methode zur Bestimmung des unmittelbar verfügbaren P dürfte die Olsen- und DGT-Methode sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation die P-Verfügbarkeit von rezyklierten P-Düngern aus Klärschlamm und mögliche Strategien zur Verbesserung ihrer P-Nutzungseffizienz aufgezeigt hat. Sie lieferte agronomische Beweise für die Durchführbarkeit des Ersatzes von aus Phosphorit gewonnenen P-Düngern durch rezyklierte Düngemittel und neue Erkenntnisse über deren Ausbringung. Mit der kürzlich überarbeiteten EU-Verordnung über Düngemittel ist zu erwarten, dass recycelte Düngemittel bald den Markt mit Mineraldüngern teilen und zur Entwicklung einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen

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    Authors: Käsbauer, Lena;

    Drought events are increasing due to climate change, resulting in significant yield losses. Many breeding strategies focus on drought resistance to avoid these yield losses or complete crop failure. Additionally, to improve drought resistance under soil desiccation, the soil and particularly rhizosphere processes are more and more in the focus of research. Specifically, linkages between the diverse and highly dynamic interactions of soil, plant, and microorganism community must be understood. This thesis thus aims to answer the following research questions: i) Are root hairs relevant for water uptake, and what role do they play under drought? ii) Does local drought in Zea mays result in distinguishable systemic and local metabolic and physiological responses, as well as compensatory water uptake? iii) Do the physico-chemical properties of Zea mays mucilage differ between two common collection systems? In the first part, published studies considering root hairs in nutrient and water uptake were summarized, and show a high plasticity of root hairs under different nutrient and water availability states. This plasticity was apparent through changes in root hair morphology and development. Furthermore, the role of root hairs in water uptake is under discussion due to variable results from different studies and crop species. Nevertheless, it seems that overall root hairs improve drought resilience. Furthermore, a better nutrient uptake and mucilage exudation by root hairs and thus an increased drought stability is discussed. This suggests a beneficial role of root hairs for drought stress robustness. In the second part, local and systemic drought responses of maize and their effect on rhizosphere processes were assessed in a split-root experiment. The root system of maize was separated into two differently watered (watered, drought stressed) rhizobox chambers. The local drought treatment was performed for 10 days. Under these conditions, the local drought led to a local and systemic response through osmotic adjustment. Osmolarity increased in the shoot, while increased proline concentrations and slight changes in root exudates indicated a local response in the drought stressed root compartment. This metabolic adjustment contributed to a hydraulic redistribution of water between the root halves and enhanced water availability. Comparing the physico-chemical properties of maize mucilage collected by two common collection systems emphasized the impact of mucilage collection when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes. The mucilage differed in terms of physico-chemical properties, which included contact angle, viscosity, surface tension (physical) and nutrient content, pH, polysaccharide polymer length, and neutral sugar composition (chemical). The mucilage was collected in two ways: 1) from primary and seminal roots of seedlings growing in a semi-sterile aeroponic system and 2) from airborne brace roots of maize growing on sandy soil. The two collection systems differed in terms of plant age, environment (sterility, light availability, air humidity), and root type. The higher viscosity of the brace root mucilage may have reflected the drier air humidity surrounding the root and therefore the need to enhance water holding capacity. Non-sterile conditions during brace root mucilage collection probably resulted in higher shares of hexoses, while semi-sterile conditions may explain the lack of mannose in the aeroponic mucilage. Brace root mucilage may therefore have a greater relevance during soil desiccation than aeroponic mucilage. In summary, this work helps to fill knowledge gaps in understanding and linking rhizosphere processes by i) providing a state-of-the-art summary of root hair plasticity related to nutrient and water availability and concluding a beneficial role of root hairs in drought robustness, ii) showing local and systemic osmotic adjustment and hydraulic redistribution under local drought, and iii) emphasizing the role of the mucilage collection systems when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes Trockenstressereignisse häufen sich bedingt durch den Klimawandel und führen zu Ertragsverlusten. Deshalb sind zahlreiche Züchtungsprogramme auf Trockenstressresistenz ausgelegt, um so Ertragsverluste oder Komplettausfälle zu verhindern. Zusätzlich rücken der Boden und im Besonderen die Rhizosphären-Prozesse in den Forschungsvordergrund, um so die Trockenstressresistenz unter Bodenaustrocknung zu verbessern. Es ist dabei notwendig die Zusammenhänge zwischen den zahlreichen und sehr dynamischen Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismenpopulationen zu verstehen. Folglich zielt diese Arbeit darauf ab, folgende Forschungsfragen zu beantworten: i) Sind Wurzelhaare relevant in der Wasseraufnahme und welche Rolle haben sie unter Trockenheit? ii) Führt lokaler Trockenstress bei Zea mays zu systemisch- und lokal unterscheidbaren metabolischen und physiologischen Reaktionen sowie zur Kompensation in der Wasseraufnahme? iii) Unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mucilage von Zea mays aus zwei unterschiedlichen Sammelsystemen? Im ersten Teil wurden publizierte Studien zusammengefasst, welche Wurzelhaare im Zusammenhang mit Nährstoff- und Wasseraufnahme berücksichtigen. Diese zeigen eine hohe Plastizität von Wurzelhaaren unter verschiedenen Nährstoff- und Wasserverfügbarkeiten. Diese Plastizität ist erkennbar durch Veränderungen bei der Wurzelhaar-Morphologie und - Entwicklung. Die Rolle von Wurzelhaaren bei der Wasseraufnahme wird kontrovers diskutiert, da sich die Ergebnisse von verschiedenen Studien und Spezies unterscheiden. Allerdings scheint es, dass insgesamt Wurzelhaare die Trockenstressresilienz verbessern. Des Weiteren wird eine bessere Nährstoffaufnahme und Mucilage-Exsudation durch Wurzelhaare und dadurch eine erhöhte Trockenstress-Stabilität diskutiert. Dies lässt eine fördernde Rolle von Wurzelhaaren zur Trockenstressstabilität vermuten. Im zweiten Teil wurden lokale und systemische Antworten von Mais und deren Effekte auf Rhizosphären- Prozessen in einem Split-Root-Experiment beurteilt. Dafür wurde das Wurzelsystem von Mais in zwei Rhizoboxkammern aufgeteilt und unterschiedlich bewässert (bewässert, trockengestresst). Der lokale Trockenstress dauerte 10 Tage. Unter diesen Bedingungen führte die lokale Trockenheit zu einer lokalen und systemischen osmotischen Anpassung. Die Osmolalität stieg im Spross an, während erhöhte Prolin-Konzentrationen und leichte Veränderungen bei den Wurzelexsudaten eine lokale Antwort der trockengestressten Wurzelseite zeigen. Diese metabolischen Anpassungen trugen zu einer hydraulischen Umverteilung von Wasser zwischen den Wurzelhälften bei und verbesserten die Wasserverfügbarkeit. Ein Vergleich der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Mais-Mucilagen, die aus zwei üblichen Sammelsystemen stammen, zeigt die Relevanz des Sammelsystems, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll. Die Mucilagen unterschieden sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, welche Kontaktwinkel, Viskosität, Oberflächenspannung (physikalisch) und Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Länge der Polysaccharid-Polymere und Zusammensetzung der neutralen Zucker (chemisch) umfassen. Die Mucilage wurde auf zwei Arten gewonnen: 1) Absammeln von primären und seminalen Wurzeln von Maiskeimlinge, die in einem semi-sterilen aeroponischen System angezogen wurden und 2) von Luftwurzeln oberhalb des Bodens von Mais, der in Sandboden angezogen wurde. Diese zwei Sammelsysteme unterschieden sich in Pflanzenalter, Umwelt (Sterilität, Lichtverfügbarkeit, Luftfeuchtigkeit) und Wurzeltyp. Die höhere Viskosität der Luftwurzelmucilage reflektiert möglicherweise die trockenere Luftfeuchte um die Wurzel und der daraus resultierenden Notwendigkeit die Wasserhaltekapazität zu verbessern. Nicht-sterile Bedingungen bei dem Absammeln von Luftwurzelmucilage führte vermutlich zu höheren Anteilen an Hexosen, während semi-sterile Bedingungen das Fehlen von Mannose in aeroponisch gesammelter Mucilage erklären könnte. Luftwurzelmucilage hätte daher vermutlich größere Effekte auf Rhizosphären-Prozesse während Bodenaustrocknung als aeroponisch gesammelte Mucilage. Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, die Wissenslücken zu Prozessen in der Rhizosphäre zu füllen, um diese zu verstehen und miteinander zu verbinden, indem gezeigt wurde, dass i) die publizierte Literatur beschreibt, dass Wurzelhaare in Bezug auf Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit plastisch reagieren und eine vorteilhafte Rolle unter Trockenheit haben können, ii) eine lokale und systemische osmotische Anpassung sowie hydraulische Umverteilung stattfindet und iii) die Rolle des Mucilage-Sammelsystems hervorzuheben ist, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll.

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    Authors: Gebhardt, Beate; Bermejo, Gabriela; Imort-Just, Annik; Kiefer, Lukas; +2 Authors

    Um das seit Januar 2022 geltende Verbot des Kükentötens einzuhalten, schlägt das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft drei Alternativen vor, darunter das Ausbrüten von Zweinutzungshühnern. Neben züchterischen und wirt-schaftlichen Herausforderungen, Zweinutzungstiere in der Wertschöpfungs¬kette zu etablieren, werden das uneinheitliche Verständnis was überhaupt ein Zwei¬-nutzungshuhn ist und wie dessen Besonderheiten gegenüber Ver¬braucher*innen erfolgreich kommuniziert werden können, als Herausforderungen angesehen Dazulegen, was ein Zweinutzungshuhn ist bzw. welches Verständnis darüber aus Sicht von Landwirt*innen vorliegt, ist Ziel dieses Arbeitsberichts. Die deutschlandweite Online-Umfrage unter Landwirt*innen und Geflügel-halter*innen zum Verständnis und der Zukunft von Zweinutzungshühnern wurde im Herbst 2022 im Rahmen des EIP-Agri Projekts „ZweiWert“ durchgeführt. Das EIP-Projekt mit dem Titel „Aufbau von Wertschöpfungsketten für Zwei¬nutzungs¬hühner in Baden-Württemberg“ (ZweiWert) wird vom Ministerium für Ernährung, ländliche Räume und Verbraucherschutz Baden-Württemberg von 01/2022 bis 12/2024 gefördert. Projektpartner sind der Naturlandverband Baden-Württemberg, mehrere Fachgebiete der Universität Hohenheim und viele Partner aus der landwirtschaftlichen Erzeugung und Vermarktung. To comply with the ban on chick culling that has been in effect since January 2022, the Federal Ministry of Food and Agriculture proposes three alternatives, including the hatching of dual-purpose chickens. In addition to the breeding and economic challenges of establishing dual-purpose animals in the value chain, the inconsistent understanding of what a dual-purpose chicken actually is and how its characteristics can be successfully communicated to consumers are seen as challenges. The goal of this working report is to present what a dual-purpose chicken is and what understanding farmers have of it. The German nationwide online survey among farmers and poultry farmers regarding the understanding and future of dual-purpose chickens was conducted in autumn 2022 as part of the EIP-Agri project "ZweiWert." The EIP project titled "Building Value Chains for Dual-Purpose Chickens in Baden-Württemberg" (ZweiWert) is funded by the Ministry of Food, Rural Areas and Consumer Protection of Baden-Württemberg from 01/2022 to 12/2024. Project partners include the Naturland Association of Baden-Württemberg, several departments of the University of Hohenheim, and many partners from agricultural production and marketing.

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    Authors: Stürmer-Stephan, Bastian;

    Due to climate change and the need to save water, water consumption must be reduced not only in agriculture but also in urban areas. There are 55,072 sports fields in Germany that have to be irrigated in summer. In order to reduce the amount of irrigation, two approaches were researched and discussed in this thesis. The first approach is to adapt new sports fields to the local weather conditions. This approach is a decision support system, based on a model. The input variables are recorded weather data from the German Weather Service for the location where the new sports field is to be built, the hydrological properties of the substrates, and the expected costs. An optimized dimensioning of the rootzone layer is calculated by an EA solver of Microsoft Excel. This thickness of the layer can be used for the construction project. This was calculated exemplary for 3 locations. The presented model needs to be further evaluated through field trials. For existing sports fields, the root zone layer can only be changed with great effort. In this case, a biodegradable nonwoven can be installed in an existing sports field with drainage layer structure. This nonwoven transport water from the deeper drainage layer into the root zone of the turf through the capillaries, so that the water is available to the turf. To achieve this function, the 150 mm wide nonwoven must be installed vertically at a depth of 170 mm +-20 mm. During installation, the ground cover must not be reduced and the roughness of the surface must not be increased. In the present work, a device is presented, that cuts the turf, opens a furrow, incorporates the nonwoven and then closes the furrow. The device is mounted on the tractor and consists of a height guide, a cutting disc, a box coulter and a pressure roller. The device was tested on three plots with a layer structure in Stuttgart. The cutting disc works properly because no clogging was observed. A measurement frame equipped with an ultrasonic sensor, a laser range finder and a feeler wheel determined the surface roughness before and after incorporating the nonwoven. The results showed a significant increase in roughness. In order to reduce the negative impact to the ground surface, it would be possible to increase the ballasting of the device. However, harmful soil compaction must be avoided. The uniform working depth of the developed device was determined with a tachymeter and showed a deviation from the nominal depth of less than 20 mm. The results show that this meets the requirements for the device. Ground cover was measured before and after installing the nonwoven. The turf damage was less than 15 % of the ground cover, which meets the playability requirements. Reconsolidation was determined by penetrologger and evaluated in profile. The soil recompaction, measured as penetration resistance, was similar to the status quo, except in the area close to the nonwoven, where the recompaction failed. The furrows of the developed device can be recompacted more effectively by using two pressure roller, attached V-shaped. But it must be verified that the two pressure rollers do not cause ridge formation, as is the case with seed drills. Overall, the performance of the device can be considered positive, but improvements are still needed to improve reconsolidation. These improvements can be verified in future investigations. At the same time, the effectiveness of the nonwoven must be evaluated in the future. Preliminary tests have shown that the capillary action is sufficient to transport water from the drainage layer to the root zone. Aufgrund des Klimawandels und der Notwendigkeit, Wasser zu sparen, muss der Wasserverbrauch nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in städtischen Gebieten reduziert werden. In Deutschland gibt es 55.072 Sportplätze, die im Sommer bewässert werden müssen. Um die Bewässerungsmenge zu reduzieren, wurden in dieser Arbeit zwei Ansätze erforscht und diskutiert. Der erste Ansatz ist für neu angelegte Rasensportplätze konzipiert und basiert auf einer Modellierung des erforderlichen Rasentragschichtaufbaus für einen Rasensportplatz. Die Eingangsgrößen sind aufgezeichnete Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes für den Standort des neu zu errichtenden Sportplatz, die hydrologischen Eigenschaften der Substrate und die zu erwartenden Kosten. Eine optimierte Dimensionierung der Rasentragschichtdicke wird mit einem EA-Solver von Microsoft Excel berechnet. Diese Dimensionierung kann für das Bauprojekt verwendet werden. Die vorgestellte Modellierung muss in zukünftigen Untersuchungen durch Feldversuche evaluiert werden. Bei bestehenden Rasenspielfeldern kann die Rasentragschicht nur mit großem Aufwand verändert werden. Für diesen Fall wird ein biologisch abbaubares Vlies in einen bestehenden Sportplatz mit Drainageschichtaufbau eingebaut. Das Vlies transportiert das Wasser aus der tieferen Drainageschicht über die Kapillaren in die Wurzelzone des Rasens, so dass das Wasser dem Rasen zur Verfügung steht. Um diese Funktion zu gewährleisten, muss das 150 mm breite Vlies vertikal in einer Tiefe von 170 mm +-20 mm verlegt werden. Bei der Verlegung darf die Bodenbedeckung nicht verringert und die Rauheit der Oberfläche nicht erhöht werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Gerät vorgestellt, das die Grasnarbe schneidet, eine Furche öffnet, das Vlies einarbeitet und die Furche wieder schließt. Das Gerät ist an den Traktor angebaut und besteht aus einer Höhenführung, einer Schneidscheibe, einem Kastenschar und einer Andruckrolle. Das Gerät wurde auf drei Rasenparzellen mit Tragschichtaufbau in Stuttgart getestet. Die Schneidscheibe verhinderte erfolgreich die Entstehung von Verstopfungen im Arbeitsbereich. Ein Messwagen, der mit einem Ultraschallsensor, einem Laserentfernungsmesser und einem Tastrad ausgestattet ist, ermittelte die Oberflächenrauhigkeit vor und nach der Einarbeitung des Vlieses. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Zunahme der Rauheit. Um die negative Veränderung der Bodenoberfläche zu reduzieren wäre es möglich die Ballastierung des Arbeitsgerätes zu erhöhen. Dabei müssen jedoch schädliche Bodenverdichtungen vermieden werden. Die gleichmäßige Tiefe des Vlieses wurde mit einem Tachymeter bestimmt und zeigte eine Abweichung von der Solltiefe von weniger als 20 mm. Die Bodenbedeckung wurde vor und nach dem Einbau des Vlieses gemessen. Die Beschädigung der Grasnarbe betrug weniger als 15 % der Bodendecke, was den Anforderungen an die Bespielbarkeit entspricht. Die Rückverfestigung wurde mit einem Penetrologger bestimmt und im Profil ausgewertet. Die als Eindringwiderstand gemessene Rückverfestigung des Bodens entsprach dem Status quo, mit Ausnahme des Bereichs direkt neben dem Vliese, wo die Rückverfestigung nicht ausreicht. Die Furchen des entwickelten Gerätes könnten durch den Einsatz von zwei V-förmig angebrachten Andruckrollen besser rückverfestigt werden. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die beiden Andruckrollen keine Dammbildung verursachen, wie es bei Sämaschinen der Fall ist. Insgesamt kann die Leistung des Geräts als positiv angesehen werden, aber es sind noch Verbesserungen erforderlich, um die Rückverfestigung zu verbessern. Diese Verbesserungen können in zukünftigen Untersuchungen überprüft werden. Gleichzeitig muss die Wirksamkeit des Vlieses bewertet werden. Dies war nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Vorversuche haben gezeigt, dass die Kapillarwirkung ausreicht, um Wasser aus der Drainageschicht in die Wurzelzone zu transportieren.

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    Authors: Dittmer, Celina;

    Die Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar. Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben. Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem „Unterer Lindenhof“, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor „Unterer Lindenhof“ eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt. The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential. The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available. In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology. All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory. The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible.

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    Authors: Kononov, Susanne Ursula;

    The transition period, defined as three weeks before to three weeks after parturition, is one of the most critical times in the production cycle of dairy cows. On the one hand, cows have to cope with increased energy demand, while on the other hand, feed intake decreases due to stress and pain during parturition. This results in an negative energy balance and, consequently, at the beginning of body fat tissue mobilization. Lipomobilization increases the blood concentration of NEFA. This is accompanied by an increase in the blood concentration of ketone bodies, such as BHB. In addition to changes in energy metabolism, alterations in the immune function of dairy cows occur during the transition period. Stress and pain during calving lead to elevated blood levels of glucocorticoids, such as cortisol, which affect the immune system. Furthermore, the immune system is affected by increased concentrations of NEFA and BHB. At the same time, oxidative stress occurs due to an imbalance between the production of reactive oxygen species (ROS) and the activity of the antioxidative system. In general, the period around calving and its consequences constitute a very complex process influenced by many interdependent factors. One key factor in energy production is the quaternary amine L-carnitine (LC), which is necessary for the transport of short-chain fatty acids from the cytosol to the mitochondrial matrix. Furthermore, several studies have demonstrated the antioxidant and membrane-stabilizing effects of LC. This study aimed to investigate the effects of dietary LC supplementation on energy metabolism, hematology, and immune functions of dairy cows during the transition period. In addition, the first 72 h after calving were observed at high resolution to show the characteristic courses of the examined parameters, which, to the best of our knowledge, have not yet been analyzed. To attain this aim, 60 pluriparous Holstein Friesian cows were assigned to two groups based on their lactation number, body weight, body condition score, and fat-corrected milk yield from previous lactation. The LC group (CAR) received 25 g of rumen-protected LC. The study started 42 days before excepted calving and ended 110 days after parturition. To evaluate the performance and health of the animals, feed and milk samples were collected regularly, and feed intake, milk yield, body weight, and BCS were documented (Manuscript I). Additionally, NEB was calculated, and NEFA, BHB, and triglyceride concentrations in the blood were determined (Manuscript I). Also, the concentration of LC in the blood as well as that of the precursors γ-butyrobetaine (γBB), Nε-trimethyllysine (TML), and acetylcarnitine (ACA) was examined (Manuscript I). Red blood cell counts and antioxidant enzyme activity were measured to obtain more information on the oxygen supply and antioxidant status of the animals (Manuscript II). To evaluate the immunological status and inflammatory response, white blood cell count, phagocytic activity, ROS production, and lymphocyte populations were analyzed (Manuscript III). Dietary supplementation with LC increases blood LC, γBB, and ACA concentrations. Furthermore, LC supplementation resulted in better utilization of NEFA and TG. This was manifested by an increased blood concentration of triglycerides and a lower concentration of NEFA. Moreover, increased levels of platelets and eosinophils were detected in the CAR group, confirming the membrane-stabilizing effect of LC and the associated longer cell lifespan. Additionally, immunological functions were affected by LC supplementation. The ability of polymorphonuclear cells (PMN) to phagocytose bacteria was analyzed by the mean fluorescence intensity (MFI) of ROS-producing PMN, and the phagocytic capacity decreased compared to the CON group. Simultaneously, the efficiency of ROS production by PMN increased in CAR cows. These results suggest an altered immune function around calving, but not suppression, as is often described in the literature. In addition, this study showed that calving affected almost all analyzed data. The strongest changes in hematology and cell function were found four hours after calving. Furthermore, the influence of LC supplementation on immunological parameters was observed in the first few hours after parturition, indicating that LC supplementation may have an effect at energetically critical times. In conclusion, the present study showed that dietary LC supplementation affected energy metabolism, cell vitality, and cell function during the critical period around calving. However, this study also showed the clear influences of calving, which may be even more pronounced than animal-specific differences. Future studies should record the LC supply of cells to enable a more detailed description of the energetic situation of cells such as blood cells. Die Transitphase ist eine der kritischsten Zeiten im Reproduktionszyklus einer Milchkuh. Zum einen müssen die Kühe einen erhöhten Energiebedarf bewältigen, zum anderen ist die Futteraufnahme aufgrund von Schmerzen und Stress reduziert. Hieraus resultiert eine negative Energiebilanz und der Körper beginnt Fettreserven abzubauen. Durch die Lipomobilisation erhöht sich die Konzentration an NEFA im Blut. Dies geht einher mit einem Anstieg der Blutkonzentration von Ketonkörpern wie BHB. Zusätzlich kommen in der Transitphase der Milchkuh massive Veränderungen in der Immunfunktion hinzu. Durch Stress und Schmerzen während der Geburt steigt der Blutspiegel der Glucocorticoide wie Cortisol, die das Immunsystem beeinflussen. Darüber hinaus wird das Immunsystem durch die erhöhten Konzentrationen von NEFA und BHB beeinflusst. Gleichzeitig entsteht oxidativer Stress durch eine Imbalance in der Produktion von ROS und der Aktivität des antioxidativen Systems. Insgesamt ist die Periode um die Kalbung ein sehr komplexer Prozess, welcher von vielen verschiedenen voneinander abhängigen Faktoren beeinflusst wird. Eine wichtige Schlüsselfunktion für die Energiegewinnung könnte dabei das quartäre Amin L-Carnitin (LC) einnehmen, das für den Transport von kurzkettigen Fettsäuren aus dem Zytosol in die mitochondriale Matrix notwendig ist. Des Weiteren konnte in mehreren Studien eine antioxidative und membranstabilisierende Wirkung von LC nachgewiesen werden. Die Hypothese dieser Arbeit war daher herauszufinden, ob eine LC Supplementierung einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel, die Hämatologie und die Immunfunktionen der Kuh während der Transitphase hat. Zusätzlich wurden, unserer Kenntnis nach zum ersten Mal, die ersten 72 Stunden nach der Kalbung hochaufgelöst untersucht, um charakteristische Verläufe einzelner untersuchter Parameter darstellen zu können. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden 60 pluripare Holstein Friesian Kühe in zwei Gruppen eingeteilt. Die L-Carnitin Gruppe (CAR) erhielt 25 g pansengeschütztes LC pro Kuh und Tag. Der Versuch begann 42 Tage vor der erwarteten Kalbung und endete 110 Tag nach der Geburt. Zur Bewertung der Produktionsleistung und der Gesundheit der Tiere wurden regelmäßig Futter- und Milchproben genommen, Futteraufnahme und Milchleistung erfasst sowie Körpergewicht und BCS festgehalten (Manuskript I). Zusätzlich wurde die NEB berechnet und den Tieren Blut entnommen, um die NEFA-, BHB- und Triglycerid-Konzentrationen zu bestimmen (Manuskript I). Ebenfalls wurde die LC- Konzentration im Blut untersucht sowie die der Vorläufer γ-Butyrobetain (γBB), Nε-Trimethyllysin (TML) und Acetylcarnitin (ACA) (Manuskript I). Zusätzlich wurde das rote Blutbild und die Aktivität antioxidativer Enzyme bestimmt, um nähere Informationen zur Sauerstoffversorgung der Tiere und des antioxidativen Status zu erhalten (Manuskript II). Zur Bewertung von immunologischen Vorgängen und Entzündungsgeschehen wurde das weiße Blutbild, die Phagozytoseaktivität, die ROS-Produktion und die Lymphozytenpopulationen näher untersucht (Manuskript III). Durch die Supplementierung mit LC konnte ein Anstieg der LC-Blutspiegel sowie auch der Vorläuferstufen γBB und ACA festgestellt werden. Die LC Supplementierung führte zudem zu einer besseren Verwertung von NEFA und TG. Dies äußerte sich in einer erhöhten Konzentration von TG im Blut und einer niedrigeren NEFA-Konzentration. Außerdem konnten in der CAR Gruppe erhöhte Anteile von Thrombozyten und Eosinophilen festgestellt werden. Dies bestätigte die membranstabilisierende Wirkung von LC und eine damit verbundene längere Lebensdauer der Zellen. Die Immunfunktion wurde ebenfalls durch LC beeinflusst. Die Fähigkeit der polymorph-nukleären Zellen (PMN) Bakterien aufzunehmen, nahm im Vergleich zur CON-Gruppe ab. Neben dieser Fähigkeit schien in der CAR Gruppe zur gleichen Zeit auch die Phagozytosekapazität geringer zu sein, begleitet von einer effizienteren Produktion von ROS durch die PMN. Diese Ergebnisse deuten zwar auf eine veränderte Immunfunktion um die Kalbung herum hin, allerdings nicht auf eine in der Literatur oft beschriebene Supprimierung. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Kalbung nahezu alle erhobenen Daten beeinflusst hat. Die stärksten Veränderungen in der Hämatologie und der Zellfunktion wurden vier Stunden nach der Kalbung festgestellt. In dieser Zeit wurden auch die Effekte durch LC gefunden, was darauf hindeutet, dass LC durchaus einen Einfluss haben kann, allerdings nicht generell, sondern nur zu energetisch kritischen Zeiten. Abschließend konnte diese Studie zeigen, dass eine diätetische LC Supplementierung in kritischen Zeiten einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel hat und die Vitalität und Funktion von Zellen beeinflussen kann. Allerdings zeigten sich in dieser Studie auch deutliche Einflüsse der Kalbung, welche möglicherweise sogar stärker ausgeprägt sind als tierindividuelle Unterschiede.

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    Authors: Ferenc, Viktoria;

    This thesis focuses on investigating species interactions in the context of alien species establishment, which poses severe threats to species, communities, and ecosystems due to climate change and globalization. The study emphasizes the need to understand the effects of multiple co-occurring alien species and their potential explanations, such as niche or fitness differences. The outcome of competition can also be influenced by priority effects, where earlier emerging species affect later emerging species in a given environment. Positive interactions, like facilitation, are often overlooked but play a significant role in species interactions. Legumes, known for their ability to fix atmospheric nitrogen, can facilitate alien species, leading to both severe negative effects on natives and reduced resource competition. The research conducted three common garden pot experiments to address various aspects of alien species interactions. The first experiment examined pairwise combinations of 20 alien annual plant species in Germany to identify the mechanisms driving these interactions. It tested the prevalence of competition versus facilitation and assessed the effectiveness of individual traits, hierarchical or absolute trait distances, multivariate trait or phylogenetic distance, and trait plasticity in explaining plant performance. Results indicated that while interspecific competition was more common, interspecific facilitation occurred in 24% of cases. Hierarchical trait distances provided better explanations for interactions than phylogenetic or multivariate trait distances. Accounting for trait plasticity did not necessarily improve plant performance predictions. Notably, taller individuals with lower specific leaf area than their alien neighbours exhibited increased biomass and seed production when growing together. The second experiment focused on interactions between five pairs of alien and native species. It evaluated the impact of growing with one or two alien neighbour species on native plants and manipulated the arrival time of alien or native neighbours. Generally, native species performed worse when surrounded by two alien species compared to one, although the effect varied among species. Both native and alien species experienced significant performance decreases when arriving second in the pot, while alien species tended to benefit more from early arrival. However, further studies are required to generalize these findings across multiple alien and native plants regarding neighbour species and arrival time responses. The third experiment delved into legume facilitation in more detail. It involved growing 30 annual Asteraceae species (neophytes, archaeophytes, and natives) in communities with or without legume presence. The study measured functional traits, fitness, and nitrogen characteristics to understand how legume presence affected Asteraceae fitness and the relationship between traits, nitrogen concentration, and fitness. Using the δ15N natural abundance method, the research explored whether facilitation mechanisms differed among native phytometer, neophyte, and archaeophyte Asteraceae. Specific leaf area negatively affected aboveground biomass and seed production, with a stronger effect in the absence of legumes. Nitrogen concentration was positively correlated with biomass but did not significantly increase seed production. The results suggested direct legume facilitation for the native grass phytometer Festuca rupicola when growing alongside archaeophytes but not neophytes. This indicated varied mechanisms of competition for nitrogen between natives and alien species of different residence times and deepened understanding of altered facilitative leguminous effects in the presence of alien species. Overall, this research demonstrates the application of community ecology concepts and theories to investigate alien species interactions, particularly when multiple co-occurring alien species are involved. As the rate of alien species arrival in new habitats continues to increase, understanding their combined impact on native species, communities, and ecosystems becomes increasingly crucial. Diese Arbeit untersucht die Interaktionen von Pflanzenarten im Zusammenhang mit der Ansiedlung gebietsfremder Arten. Klimawandel und Globalisierung führen zu einer steigenden Anzahl gebietsfremder Arten, die eine Bedrohung für einheimische Arten und Ökosysteme darstellen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von mehreren gleichzeitig auftretenden gebietsfremden Arten zu untersuchen und zu erklären, ob durch Nischen- oder Fitnessunterschiede. Konkurrenz kann durch sogenannte "priority" Effekte beeinflusst werden, bei denen eine früher auftretende Art Auswirkungen auf eine später auftretende Art hat. Auch positive Interaktionen wie Unterstützung sind wichtig, werden jedoch oft vernachlässigt. Leguminosen sind bekannt für ihre Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren und können daher die Ansiedlung von gebietsfremden Arten erleichtern, aber auch die Konkurrenz um Ressourcen verringern. Die Arbeit umfasst drei Topf-Experimente. Im ersten Experiment wurden 20 gebietsfremde einjährige Pflanzenarten in Deutschland untersucht, um die Mechanismen der Interaktionen zu identifizieren. Es wurde untersucht, ob Konkurrenz oder Unterstützung häufiger auftraten und welche Merkmale die Interaktionen am besten erklärten. Hierarchische Merkmalsdistanzen waren besser geeignet als phylogenetische oder multivariate Merkmalsdistanzen. Die Berücksichtigung von Merkmalsplastizität verbesserte die Vorhersage der Pflanzenleistung nicht signifikant. Pflanzen, die größer waren und eine geringere spezifische Blattfläche als ihre Nachbarn aufwiesen, hatten eine höhere Biomasse und Samenproduktion. Im zweiten Experiment wurden die Wechselwirkungen zwischen fünf Paaren aus gebietsfremden und einheimischen Arten untersucht. Es wurde festgestellt, dass einheimische Arten schlechter abschnitten, wenn sie von zwei gebietsfremden Arten umgeben waren. Die Ankunftszeit hatte ebenfalls einen Einfluss, wobei frühe Ankunft gebietsfremden Arten zugutekam. Die Reaktionen waren jedoch artspezifisch und erfordern weitere Untersuchungen. Das dritte Experiment konzentrierte sich auf die Unterstützung durch Leguminosen. Es wurden 30 Asteraceae-Arten in Gemeinschaften mit oder ohne Leguminosen angebaut. Es wurde untersucht, wie die Anwesenheit von Leguminosen die Fitness der Asteraceae-Arten beeinflusst. Die spezifische Blattfläche hatte einen negativen Einfluss auf die Biomasse, während die Stickstoffkonzentration positiv damit korrelierte. Es wurden unterschiedliche Mechanismen der Unterstützung für einheimische und gebietsfremde Arten festgestellt. Die Arbeit zeigt, wie ökologische Konzepte und Theorien auf die Interaktionen mit gebietsfremden Arten angewendet werden können. Angesichts der zunehmenden Anzahl gebietsfremder Arten ist es wichtig, ihre Auswirkungen auf einheimische Arten und Ökosysteme zu verstehen.

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    Authors: Salazar Cubillas, Khaterine;

    The overall objective of the present doctoral thesis was to evaluate the adequacy (i.e., accuracy and precision) of existing laboratory methodologies and modeling tools, originally designed for temperate systems, in predicting the nitrogen (N) supply and excretion of cattle in tropical husbandry systems. It was hypothesized that the adoption of laboratory methodologies and modeling tools from temperate systems without validating and adapting them for tropical systems may result in inaccurate estimations of N supply, utilization, and excretion, which will hamper the assessment of N use efficiency. An in vitro study was conducted to evaluate the adequacy of the chemical method (Sniffen et al., 1992; Kirchhof et al., 2010; Valdés et al., 2011) to predict rumen-undegraded crude protein (RUP) of tropical forages grasses and legumes (n = 23). The adequacy of the predictions was assessed by comparing them with RUP proportions measured in situ at rumen passage rates of 2, 5, and 8% per hour. Results showed that the RUP of tropical forages estimated with the in situ method can be predicted using the chemical method. However, regression equations developed for temperate forages were not adequate enough to predict RUP proportions of tropical forages consistently for all rumen passage rates. Instead, developed equations in the present thesis can be used to predict RUP proportion of tropical forages with a similar chemical composition than the reference forage sample set. A second in vitro study was conducted to evaluate the adequacy of the chemical (Sniffen et al., 1992; Zhao and Cao, 2004) and in vitro methods (Steingaß et al., 2001) to predict post-ruminal crude protein (PRCP) supply of tropical forages (n = 23). The adequacy of the PRCP supply with the chemical and in vitro methods were tested against PRCP supply estimated from in situ measurements at rumen passage rates of 2, 5, and 8% per hour and digested organic matter. Results showed that the in vitro method can be used as an alternative method to estimate PRCP supply in tropical forages at moderate to fast rumen passage rate but not at slow rumen passage rate. Available regression equations developed for temperate forages were not adequate enough to predict the PRCP supply of tropical forages from concentrations of chemical crude protein fractions. Instead, developed equations in the present thesis can be used to estimate PRCP supply of tropical forages with a similar chemical composition than the reference forage sample set. A third study was conducted to assess the adequacy of modeling tools to predict N excretion of cattle in tropical husbandry systems. These models, namely model A (based on AFRC, 1993), model G (based on GfE, 2001), and model I (INRA, 2019), were selected to predict fecal N (FN), urine N (UN), and total N (TN) excretion as well as FN fractions of dairy cows, heifers, and steers kept under typical tropical husbandry conditions. The adequacy of the model predictions was assessed against reference values of UN (total collection and creatinine method) and FN excretion (total collection, internal and external markers) (n = 392 observations). Adjustments were made to the models with the greatest potential to predict N excretion. The adjustments were focused on the input variables driving the variability in N excretion predictions, identified through a sensitivity analysis. None of the tested models predicts adequately the excretion of UN, FN, and of different FN fractions of individual cattle kept under tropical conditions. Instead, model I in the present thesis, adjusted for increased efficiency of rumen microbial crude protein synthesis and reduced intercept of FN prediction, can be used to estimate FN and TN excretion of individual cattle kept under tropical conditions. The findings from the present thesis partially support our hypothesis. The adjustment of laboratory methodologies, such as the chemical method used to estimate the protein value of temperate forages, to tropical forages, results in more adequate estimates of the proportion of RUP and PRCP supply of tropical forages. Model I is, therefore, able to predict the N excretion of cattle more adequately in tropical husbandry systems, because it is sensitive to differences in the RUP proportion and PRCP supply. In addition to increasing the adequacy of these input variables, adjustments made to the microbial protein synthesis and intercept of the FN excretion of model I results in a more adequate prediction of N excretion by cattle in tropical husbandry systems. However, not all adjustments to laboratory methodologies and modeling tools from temperate systems yielded adequate predictions. Specifically, challenges remained in predicting RUP proportion and PRCP supply for tropical forage legume with slow rumen passage rates, as well as urinary N excretion in cattle with low N intakes. Consequently, further research is required to identify the factors contributing to their poor adequacy. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Doktorarbeit bestand daher darin, die Genauigkeit und Präzision der vorhandenen Labormethoden und Modellierungsinstrumente für die Vorhersage der Stickstoff (N)-Zufuhr und -ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen zu bewerten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Anwendung von Labormethoden und Modellierungsinstrumenten aus gemäßigten Breiten ohne deren Validierung und Anpassung an tropische Systeme zu ungenauen Schätzungen der N-Zufuhr, -verwendung und -ausscheidung führen kann, was die Bewertung der N-Verwertungseffizienz erschwert. In einer In-vitro-Studie wurde die Eignung der chemischen Methode (Sniffen et al., 1992; Kirchhof et al., 2010; Valdés et al., 2011) zur Vorhersage des im Pansen nicht abbaubaren Rohproteins (RUP) tropischer Futtermittel untersucht (n = 23). Die Genauigkeit und Präzision der Vorhersagen wurde anhand der in situ gemessenen RUP-Anteile bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass der mit der In-situ-Methode geschätzte RUP-Anteil tropischer Futtermittel mit der chemischen Methode vorhergesagt werden kann. Die für gemäßigten Futtermittel entwickelten Regressionsgleichungen reichten jedoch nicht aus, um die RUP-Anteile tropischer Futtermittel für alle Pansenpassageraten (Kp) korrekt vorherzusagen. Stattdessen können die in dieser Arbeit entwickelten Gleichungen zur Schätzung des RUP-Anteils tropischer Futtermittel verwendet werden, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen wie die Referenz-Futtermittelproben. Eine zweite In-vitro-Studie wurde durchgeführt, um die Eignung der chemischen Analysemethode (Sniffen et al., 1992; Zhao and Cao, 2004) und der In-vitro-Methode (Steingaß et al., 2001) zur Vorhersage des postruminalen Rohproteinanteils (PRCP) von tropischen Futtermitteln zu bewerten (n = 23). Die Genauigkeit und Präzision der Vorhersagen wurden anhand der in situ gemessenen RUP-Anteile und der Konzentration an verdauter organischer Substanz bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die In-vitro-Methode zur Schätzung der PRCP-Versorgung in tropischen Futtermitteln bei mäßiger bis schneller Kp, nicht aber bei langsamer Kp, verwendet werden kann. Verfügbare Regressionsgleichungen, entwickelt für Futtermittel aus gemäßigten Zonen, waren nicht ausreichend, um die PRCP-Versorgung tropischer Futtermittel vorherzusagen. Stattdessen können die in dieser Arbeit entwickelten Gleichungen zur Schätzung des PRCP-Angebots tropischer Futtermittel verwendet werden, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen wie die Referenz-Futtermittelproben. Eine dritte Studie durchgeführt, um die Eignung von Modellierungsinstrumenten zur Vorhersage der N-Ausscheidung von Milchkühen, Färsen und Ochsen unter typischen tropischen Haltungsbedingungen zu bewerten. Diese Modelle, nämlich Modell A (AFRC, 1993), Modell G (GfE, 2001) und Modell I (INRA, 2019), wurden ausgewählt, um die Ausscheidung von N im Kot (KN), im Urin (UN) und Gesamt-N (GN) sowie die KN-Fraktionen vorherzusagen (n = 392). An den Modellen mit dem größten Potenzial zur Vorhersage der N-Ausscheidung wurden Anpassungen vorgenommen. Die Anpassungen konzentrierten sich auf die Inputvariablen, die die größten Abweichungen bei der Vorhersage der N-Ausscheidung verursachten. Um diese Inputvariablen zu identifizieren, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Keines der getesteten Modelle liefert adäquate Vorhersagen für die Ausscheidung von UN, KN und KN-Fraktionen. Stattdessen kann das Modell I zur Schätzung der KN- und GN-Ausscheidung bei Rindern in tropischer Haltung verwendet werden, nach Anpassungen an die mikrobielle Rohproteinsynthese im Pansen und den KN-Vorhersage-Intercept. Die Ergebnisse aus der vorliegenden Dissertation unterstützen unsere Hypothese teilweise. Die Anpassung von Labormethoden an tropische Futtermittel, wie z. B. der chemischen Methode zur Schätzung des Proteinwertes von Futtermitteln aus gemäßigten Zonen, führt zu genaueren und präziseren Schätzungen des Anteils der RUP- und PRCP-Versorgung mit tropischen Futtermitteln. Das Modell I ist daher in der Lage, die N-Ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen besser vorherzusagen, da es auf Unterschiede im RUP-Anteil und PRCP-Angebot reagiert. Zusätzlich zur Erhöhung die Genauigkeit und Präzision dieser Inputvariablen führen die Anpassungen der mikrobiellen Proteinsynthese und des Schnittpunkts der KN-Ausscheidung des Modells I zu einer angemesseneren Vorhersage der N-Ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen. Jedoch führten nicht alle Anpassungen der Labormethoden und Modellierungswerkzeuge zu angemessenen Vorhersagen. Herausforderungen bleiben bestehen, insbesondere bei der präzisen Vorhersage des Anteils an RUP und PRCP für tropisches Leguminosen mit langsamer Kp, sowie bei der Harnstickstoffausscheidung bei Rindern mit geringer Stickstoffaufnahme. Daher ist weitere Forschung erforderlich, um die Faktoren zu identifizieren, die zu einer fehlerhaften Vorhersage beitragen.

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    Authors: Münd, Benjamin;

    Der Konzern CNH Industrial beinhaltet drei Marken, die landwirtschaftliche Maschinen produzieren. Diese sind Case IH, Steyr und New Holland. Durch Fusionen und Zusammenschlüsse in der Vergangenheit wurden diese ehemals eigenständigen Hersteller in eine Firma überführt. Um die Profitabilität des neu gegründeten Konzerns zu steigern, wurden damals wie heute Synergien genutzt, die Produktionskomplexität reduziert und vermehrt auf Plattformlösungen mit einer hohen Anzahl an identischen Teilen gesetzt. Durch diesen Harmonisierungsprozess wurde zum einen die Markendifferenzierung, aber auch die Produktdifferenzierung der drei Marken bei dem Portfolio der Traktoren ab 51 PS stark eingeschränkt. Dies führte zu einer höheren Vergleichbarkeit und folglich zu einem stärkeren Wettbewerb zwischen den drei Marken, der insbesondere durch die Struktur des Vertriebsnetzwerkes verstärkt wird. Während Case IH & Steyr sich den gleichen Vertriebspartnerkanal teilen, unterhält New Holland einen vollständig getrennten Vertriebskanal. Dies führt zu einem starken Wettbewerb zwischen den Handelspartnern innerhalb des Konzerns, da jeder Vertriebspartner nach seinem eigenen wirtschaftlichen Erfolg strebt und somit im Markt als Konkurrent auftritt. Durch den internen Wettbewerb zwischen den 3 Schwestermarken wird der Wettbewerb zu anderen Marken außerhalb des CNH Industrial Konzerns geschwächt, was interne Kannibalisierungseffekte nach sich zieht und die Profitabilität der drei Marken, der Vertriebspartner und CNH Industrial im Allgemeinen gefährdet. Der Wandel in der europäischen Landwirtschaft führt zu größeren Betrieben und damit einhergehend zu geringeren Zulassungszahlen für Traktoren, was den Wettbewerb zwischen den Traktorenherstellern zusätzlich intensiviert. Eine Befragung von Landwirten und landwirtschaftlichen Lohnunternehmern aus Deutschland, dem Vereinigten Königreich und Frankreich zeigt, dass eine Marken- und Produktdifferenzierung sinnvoll wäre und einen nachhaltigen Mehrwert für alle drei Marken und den Mutterkonzern CNH Industrial schaffen würde. Aufgrund der traditionsreichen Geschichte aller drei Marken und der langjährigen Kundenbeziehungen ist eine Fusion zu einer CNH Industrial-Marke nicht effizient und zielführend. Es ist wichtig, für jede Marke die richtige(n) Kundengruppe(n) zu identifizieren, die Anforderungen der Kunden zu kennen und die passenden Produkte und technischen Lösungen anzubieten. Das Netzwerk an Vertriebspartnern ist dabei ein entscheidender Erfolgsfaktor für eine effiziente Marktbearbeitung. Die Professionalität der Händler bestimmt maßgeblich den Erfolg einer Traktormarke und ihrer Produkte am Markt und die Wahrnehmung der Traktoren durch Landwirte und Lohnunternehmer. Die Professionalisierung des Handels sowie eine gute Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Vertriebspartner sind unerlässlich. Auch das Land, in dem die Produktion der Traktoren stattfindet, hat einen erhebliche Einfluss auf die Kundenwahrnehmung und Wertschätzung. „Made in Germany“ ist nach wie vor ein Qualitätsmerkmal und erklärt teilweise die hohe Wertschätzung der Kunden gegenüber Fendt und John Deere als Premium-Traktoren für professionelle Landwirte und Lohnunternehmer. Steyr, als eine Marke von CNH Industrial, die ausschließlich Traktoren herstellt, hat das Potential sich zu einer Premium-Traktorenmarke in Europa zu etablieren. Aufgrund geringer negativer Konnotationen der Kunden und einer traditionsreichen Vergangenheit hat die Marke eine gute Ausgangslage dieses Ziel zu erreichen. Abschließend kann gesagt werden, dass es vielfältige Möglichkeiten gibt, eine Differenzierung zu erreichen, die von den Kunden auch als solche wahrgenommen wird. Einige Maßnahmen sind jedoch nur mittel- und langfristig realisierbar. Eine Produktdifferenzierung ist sinnvoll, um eine breite Kundenbasis zu erreichen. Unbestritten ist allerdings, dass eine Produktdifferenzierung mit hohen Investitionen verbunden ist. Ob es für die CNH Industrial Gruppe wirtschaftlich nachhaltig ist, muss noch evaluiert werden. CNH Industrial unites three agricultural brands, Case IH, Steyr and New Holland. With miscellaneous mergers in the past, these former independent manufacturers of agricultural equipment were combined in one company. A lot of synergies were used and are still being used to maximize the profit of the parent company CNH Industrial and to reduce complexity. Through this harmonization process, the tractor models of the three brands became more and more similar with less distinctive features which leads to a high comparability of the brands Case IH, Steyr and New Holland and its tractor product line up above 55 hp. This results in a strong competition between these brands because in most countries the dealer network is separated for New Holland and Case IH/Steyr and every distribution partner is independent and strives for their own profitability. Due to this, the internal competition prevents external competition with tractors from other manufacturers, which generates cannibalization effects and reduces the profit of the three brands, CNH Industrial and the dealers. Structural changes in the European agriculture led to bigger farms with in total less tractor registrations per year what intensifies additionally the competition for tractor manufacturers. A survey with farmers and contractors from Germany, UK and France showed, that a brand and product differentiation would make sense and would bring a sustainable benefit for all three brands and their parent company CNH Industrial. Because of the history of all three brands and loyal long-term customers, a merger to one CNH Industrial brand is not efficient and expedient. It is important to identify the right customer group for each brand, to know the customers’ requirements and to offer the appropriate products and technical solutions. The network of distribution partners (dealers) is the key factor for an efficient market development. The professionalism of the dealers is mainly determining the success of a brand and its products in the market and the perception of the farmers and contractors. The professionalization of the dealer and collaboration between manufacturing company and dealer is essential. Also, the country of production of the tractors has a significant impact on the customer perception and appreciation. “Made in Germany” is still a quality characteristic and explains partially the high appreciation of Fendt and John Deere as premium tractors for professional farmers and contractors. Steyr as one brand of CNH Industrial AG which only produces tractors has a valid potential to establish to a premium tractor brand in Europe. Due to little negative connotations of customers and a straightforward history the brand has a good base for this development purpose. Bottom line, there are manifold possibilities to achieve a differentiation that is perceived by the customers as such. However, several actions are only feasible mid- or long-term. A product differentiation makes sense to reach a broad base of customers. Certainly, it is undisputed that a product differentiation is connected to high investment. If it is economically viable for the CNH Industrial group remains to be evaluated.

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    Authors: Niño Savala, Andrea Giovanna;

    The problem of polluted agricultural lands with heavy metals due to anthropogenic activities, including applying phosphorous (P) fertilizers polluted with cadmium (Cd) and other metal such as uranium, has been extensively studied. Several reviews, including the one in the present dissertation, have elaborated this issue with often the same results: the application of P fertilizers with high Cd levels is strongly correlated to Cd accumulation in arable soil, which could imply environmental risks as well as health risks for humans and animals through the food chain. Therefore, these reviews have often the same conclusion: the application of low Cd-P fertilizers, either mineral, organic or recycled, is diminishing the risks of Cd pollution at the soil, crop and consumption level. However, globalization, trade politics, economy, dependency on Morocco mineral P fertilizers, and the finite stock in the raw material have challenged this possibility, especially in the European Union. Meanwhile, in China, polluted arable soils are related to other anthropogenic activities and type of fertilizers rather than Cd-polluted phosphate rock and mineral P fertilizers. At the farm level, other options to diminish Cd pollution in soil and crops, besides low Cd-P fertilizers, could consist of different fertilizer and crop management. These options were studied in this dissertation. A different P management, including different rate applications and placements, did not influence the total Cd concentration in silage maize grown in Germany, regardless of the developmental stage of the crop and the Cd levels in P fertilizer. Silage maize might take up Cd derived from P fertilizers under unpolluted soils, without high risks due to its high biomass production. However, significant changes in the labile Cd fraction were already visible after applying Cd-polluted P fertilizers at 150% of the required amount to the soil after only two growing seasons. Further research should be done to understand the correlations between the bioavailable metal fraction and the actual Cd uptake by silage maize, especially in unpolluted soils. This recommendation also follows the meta- analysis results presented in the second publication, which indicated a possible bias as most of the studies are performed under polluted conditions. Considering the results of the third and fourth publication, the Cd uptake by silage maize was strongly correlated to labile Zn in the soil and the Zn uptake at the early development stage after two field seasons. Placed P fertilizer had a significant and negative effect on the Zn uptake by young silage maize. Further research is needed to understand the behavior of Cd and Zn in the uptake process by maize under P fertilization in unpolluted soils. According to three of the four publications presented in this dissertation, the soil pH was the main soil characteristic influencing the bioavailability and the plant uptake of Cd under unpolluted conditions, regardless of the P treatment, the development stage, and the maizes intended use. However, the total Cd concentration in the soil was the dominant variable for the Cd concentration in maize grain when the soil was polluted with high Cd levels, which was the case in several experiments analyzed in the second publication. P fertilizers with average Cd contamination might enhance labile Cd accumulation in arable land and crops when applied to low biomass crops, such as wheat and legume crops. In this regard, crop management such as crop rotation in the central field experiment indicated that the wheat rotation induced a lower Cd accumulation in maize-soil systems, owing to wheat likely accumulating Cd at higher levels than other crops. The results presented in the second publication also indicated high Cd accumulation by the wheat crop: the wheat grain accumulated more Cd than the maize grain. Thus, potential hazards related to Cd accumulation in wheat grain should also be considered in wheat-maize systems. In conclusion, suitable crop rotations considering the crop-specific potential of Cd accumulation, efficient P management including soil P levels and nutrient use efficiency, and low Cd-P fertilizers remain the most viable options and the main challenge to avoid Cd accumulation in arable soils. Das Problem der Belastung landwirtschaftlicher Flächen mit Schwermetallen aufgrund anthropogener Aktivitäten, einschließlich des Einsatzes von Phosphor-(P)-Düngemitteln, die mit Cadmium (Cd) und anderen Metallen wie Uran verunreinigt sind, wurde bereits ausführlich untersucht. Mehrere Reviews, einschließlich des Reviews in der vorliegenden Dissertation, haben sich mit diesem Thema befasst und sind häufig zu dem gleichen Ergebnis gekommen: die Anwendung von P-Düngemitteln mit hohem Cd-Gehalt korreliert stark mit der Cd-Anreicherung in Ackerböden, was wiederum sowohl Umweltrisiken als auch Gesundheitsrisiken für Menschen und Tiere über die Nahrungskette zur Folge haben könnte. Daher haben diese Reviews oftmals dieselbe Schlussfolgerung: die Anwendung von mineralischen, organischen oder recycelten P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen reduziert die Cd-Belastung auf den Ebenen Boden, Pflanze und Konsum. Die Globalisierung, die Handelspolitik, die Wirtschaft, die Abhängigkeit von P-Mineraldüngern aus Marokko und die Endlichkeit des Rohstoffs erschweren diese Möglichkeit, insbesondere in der Europäischen Union. Währenddessen stehen in China verunreinigte Ackerböden im Zusammenhang mit anderen anthropogenen Aktivitäten und anderen Arten von Düngemitteln als mit Cd-verunreinigtem Phosphatgestein und mineralischen P- Düngemitteln. Andere Möglichkeiten neben P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen, um Cd- Verschmutzung auf Betriebsebene in Böden und Pflanzen zu verringern, könnten in einem anderen Dünge- und Pflanzenmanagement bestehen. Diese Möglichkeiten wurden in der vorliegenden Dissertation untersucht. Ein anderes P-Management, einschließlich verschiedener Anwendungsmengen und Platzierungen, hatte keinen Einfluss auf die Gesamtkonzentration an Cd bei Silomais, welcher in Deutschland angebaut wurde, unabhängig vom Entwicklungsstadium der Pflanzen und der Cd-Anteile in den P- Düngemitteln. Silomais könnte auf unbelasteten Böden Cd aus P-Düngemitteln aufnehmen, ohne dass wegen der hohe Biomasseproduktion ein hohes Risiko besteht. Signifikante Veränderungen des labilen Cd-Anteils im Boden waren bereits nach der Ausbringung von Cd-verunreinigten P-Düngemitteln in Höhe von 150% der erforderlichen Menge nach nur zwei Vegetationsperioden zu erkennen. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen der bioverfügbaren Metallfraktion und der tatsächlichen Cd- Aufnahme von Silomais zu verstehen, insbesondere in unbelasteten Böden. Diese Empfehlung folgt den Ergebnissen der Metaanalyse in der zweiten Publikation, welche eine mögliche Verzerrung zeigt, da die meisten Studien unter belasteten Bedingungen durchgeführt wurden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der dritten und vierten Veröffentlichung, korrelierte die Cd-Aufnahme von Silomais mit dem Anteil an labilem Zink (Zn) im Boden und mit der Zn-Aufnahme im frühen Entwicklungsstadium innerhalb von zwei Vegetationsperioden. Platzierte P-Düngung hatte einen signifikanten und negativen Einfluss auf die Zn-Aufnahme durch jungen Silomais. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das Verhalten von Cd und Zn bei der Aufnahme von Mais mit P-Düngemitteln in unbelasteten Böden zu verstehen. In drei der vier Publikationen der vorliegenden Dissertation war der Boden-pH die wichtigste Bodeneigenschaft mit Einfluss auf die Bioverfügbarkeit und die Pflanzenaufnahme von Cd unter unbelasteten Bedingungen, unabhängig von der P-Anwendung, vom Entwicklungsstadium und der beabsichtigten Maisnutzung. Hingegen war die Gesamt-Cd- Konzentration die dominante Variable für die Cd-Konzentration in den Maiskörnern, wenn der Boden mit hohen Cd-Leveln verunreinigt war, was in einigen Experimenten der Fall war, die in der zweiten Publikation analysiert wurden. P-Düngemittel mit durchschnittlicher Cd-Kontamination könnten die labile Cd- Anreicherung in Ackerböden und Pflanzen verbessern, wenn sie auf Pflanzen mit geringer Biomasse, wie Weizen und Leguminosen, ausgebracht werden. In dieser Hinsicht wiesen Pflanzenbaumanagementmaßnahmen wie die Fruchtfolge im Hauptfeldexperiment darauf hin, dass eine Fruchtfolge mit Weizen zu einer geringeren Cd-Akkumulation in Maisanbausystemen führt, was darauf zurückzuführen ist, dass Weizen wahrscheinlich höhere Cd-Konzentrationen anreichert als andere Kulturen. Die Ergebnisse in der zweiten Publikation deuteten ebenfalls auf eine Cd-Akkumulation der Weizenpflanze hin: Die Weizenkörner reicherten mehr Cadmium an als die Maiskörner. Daher sollte das Gefahrenpotential in Weizenkörnern auch bei Weizen-Mais-Fruchtfolgen betrachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass geeignete Fruchtfolgen unter Berücksichtigung des pflanzenspezifischen Potentials der Cd-Anreicherung, eines effizienten P-Managements, das den P-Gehalt im Boden und der Effizienz der Nährstoffnutzung einschließt, sowie P- Düngemittel mit niedrigem Cd-Gehalt nach wie vor die praktikabelsten Optionen und die Hauptherausforderung zur Vermeidung von Cd-Anreicherung in Ackerböden bleiben.

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    Authors: You, Yawen;

    Phosphorus (P) is an essential macronutrient for plants. Plant roots assimilate P in soil mainly in the form of orthophosphates as H2PO4- and HPO42-. Due to the high reactivity, orthophosphates generally exist at low concentrations in soils that have high P sorption capacity. Besides the indigenous P in soil, fertilizers manufactured from phosphate rock are the main source of P to ensure a satisfactory yield in agricultural production. However, phosphate rock is a limited reserve with uneven quality and is geographically restricted. Technologies for recovering and reusing the P from waste streams were therefore developed to alleviate the dependency on this critical raw material and to promote sustainable solutions. Sewage sludge, which contains most of the P from wastewater, has great potential to produce P-rich products. However, the evaluation of their P availabilities to plants by simple chemical extraction of the product is difficult because they often contain different P species that do not easily dissolve in water. In the first chapter, three types of recycled P fertilizers derived from sewage sludge were tested first in the greenhouse using maize in two different substrates and were incubated in soil for 0, 22, and 56 days. Untreated sewage sludge ash (SSA), Na-treated SSA, and struvite were tested here. Untreated SSA failed to promote the growth of young maize, while Na-treated SSA and struvite achieved similar biomass as mineral P fertilizer. The pre-incubation time had a negative impact on the P use efficiency of recycled fertilizers. Although the P availability of untreated SSA was very low, it might be a potential substitute for phosphate rock to produce fertilizers. In Chapter II, the P availability and heavy metal contamination risk of superphosphate produced with untreated SSA in the lab were investigated. It was found that the superphosphate produced with the mixture of 25% SSA and 75% rock phosphate had a similar P use efficiency as the superphosphate produced with 100% rock phosphate, indicating untreated SSA could be a suitable substitution of rock phosphate in the P fertilizer production. Despite the heavy metal accumulations in soil and plant being minimal, the Pb and Cu concentration in untreated SSA exceeded the maximum limit according to the EU regulation on fertilizers and therefore its use is restricted in fertilizer production. The separation of industrial and municipal sludge before incineration is recommended to obtain SSAs with high P concentrations but less heavy metal. In Chapter III, the P availability of granulated struvite as affected by fertilizer application methods in comparison to di-ammonium phosphate (DAP) was investigated under field conditions. The experiment was conducted in one field in 2020 and repeated in an adjacent field in 2021. Two-year maize results showed an increase of 30% in maize yield and P content when struvite was placed, indicating that fertilizer placement enhanced the efficiency of granulated struvite. Struvite-placed had similar P use efficiency as DAP-placed, and both treatments led to significantly higher yield and P content of maize than no-P control. The residual effect of fertilizer treatment was evaluated with faba bean (Vicia faba) and triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) as subsequent crops after maize. No significant difference in yield and P content was found between struvite-placed and DAP-placed. Nevertheless, this chapter demonstrated that placed struvite can replace DAP as P fertilizer in maize cultivation. In Chapter IV, the sensitivity of three P extraction methods to different P species was investigated to provide insights into the characterization of current soil P tests to plant P availability. Three soil P tests were compared: calcium acetate-lactate (CAL), Olsen, and diffusive gradients in thin films (DGT). Results showed that a portion of added orthophosphates was immediately fixed in the soil and cannot be extracted by any of the methods. The acidic CAL method may overestimate immediately plant-available P of insoluble calcium phosphate like Ca3(PO4)2. The most suitable method to determine immediately available P might be the Olsen and DGT method. To conclude, this dissertation demonstrated the P availability of recycled P fertilizers derived from sewage sludge and possible strategies to enhance their P use efficiencies. It provided agronomic evidence on the feasibility of replacing phosphate rock-derived P fertilizers with recycled fertilizers and insight into its land application. With the recently revised EU regulation on fertilizing products, it can be expected that recycled fertilizers will soon share the market with mineral fertilizers and help develop sustainable agriculture. Phosphor (P) ist ein wesentlicher Makronährstoff für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Pflanzenwurzeln assimilieren P im Boden hauptsächlich in Form von Orthophosphaten wie H2PO4- und HPO42-. Aufgrund der hohen Reaktivität liegen Orthophosphate in Böden, die eine hohe P-Sorptionskapazität haben, oft in geringen Konzentrationen vor. Neben dem bodeneigenen P sind aus Phosphorit hergestellte Düngemittel die wichtigste P-Quelle, um einen zufriedenstellenden Ertrag in der landwirtschaftlichen Produktion zu gewährleisten. Rohphosphat ist jedoch eine begrenzte Reserve mit uneinheitlicher Qualität und geografisch sehr ungleich verteilt mit nur geringen Vorkommen in Europa. Technologien zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von P aus Abfallströmen wurden entwickelt, um die Abhängigkeit von diesem wichtigen Rohstoff zu verringern und nachhaltige Lösungen zu fördern. Klärschlamm, der den größten Teil des P im Abwasser enthält, hat ein großes Potenzial zur Herstellung von P-reichen Produkten. Die Bewertung ihrer P-Verfügbarkeit für Pflanzen durch einfache chemische Extraktion des Produkts ist jedoch schwierig, da sie oft verschiedene P-Fraktionen enthalten, die sich nicht leicht in Wasser auflösen. Im ersten Kapitel wurden drei Arten von recyceltem P-Dünger aus Klärschlamm zunächst im Gewächshaus mit Mais in zwei verschiedenen Substraten getestet und 0, 22 und 56 Tage lang im Boden bebrütet. Hier wurden unbehandelte Klärschlammasche (SSA), Na-behandelte SSA und Struvit getestet. Unbehandeltes SSA förderte das Wachstum von jungem Mais nicht, während mit Na-behandeltem SSA und Struvit eine ähnliche Biomasse erreicht wurde wie mit mineralischem P-Dünger. Die Vorinkubationszeit wirkte sich negativ auf die P-Nutzungseffizienz der recycelten Düngemittel aus. Obwohl die P-Verfügbarkeit von unbehandeltem SSA sehr gering war, könnte es ein möglicher Ersatz für Rohphosphat zur Herstellung von Düngemitteln sein. In Kapitel II untersuchten wir die P-Verfügbarkeit und das Risiko einer Schwermetallverunreinigung von Superphosphat, das mit unbehandeltem SSA im Labor hergestellt wurde. Wir fanden heraus, dass das mit einer Mischung aus 25 % SSA und 75 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat fast die gleiche P-Nutzungseffizienz aufwies wie das mit 100 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat, was darauf hindeutet, dass unbehandeltes SSA ein geeigneter Ersatz für Rohphosphat in der P-Düngerproduktion sein könnte. Obwohl die Anreicherung von Schwermetallen im Boden und in den Pflanzen minimal war, überstieg die Pb- und Cu-Konzentration in unbehandeltem SSA den Höchstwert gemäß der EU-Düngemittelverordnung, so dass seine Verwendung in der Düngemittelproduktion eingeschränkt ist. Die Trennung von Industrie- und Kommunalschlämmen vor der Verbrennung wird empfohlen, um SSA mit hohen P-Konzentrationen, aber weniger Schwermetallen zu erhalten. In Kapitel III untersuchten wir die P-Verfügbarkeit von granuliertem Struvit im Vergleich zu Diammoniumphosphat (DAP) unter Feldbedingungen in Abhängigkeit von der Art der Düngung. Der Versuch wurde im Jahr 2020 auf einem Feld durchgeführt und 2021 auf einem benachbarten Feld wiederholt. Die Ergebnisse für zweijährigen Mais zeigten eine Steigerung des Maisertrags und des P-Gehalts um 30 %, wenn Struvit unterfußdüngt wurde, was darauf hindeutet, dass die Unterfußdüngung von Dünger die Effizienz von granuliertem Struvit erhöht. Bei der Unterfußdüngung, hatte Struvit eine ähnliche P-Nutzungseffizienz wie DAP, und beide Behandlungen führten zu einem signifikant höheren Ertrag und P-Gehalt von Mais als die Kontrolle ohne P. Der Residualeffekt der Düngerbehandlung wurde mit Ackerbohne (Vicia faba) und Triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) als Folgekulturen nach Mais untersucht. Es wurde kein signifikanter Unterschied im Ertrag und P-Gehalt zwischen Struvit- und DAP-Düngung festgestellt. Dennoch hat dieses Kapitel gezeigt, dass unterfußdüngtes Struvit DAP als P-Dünger im Maisanbau ersetzen kann. In Kapitel IV wurde die Empfindlichkeit von drei P-Extraktionsmethoden gegenüber verschiedenen P-Fraktionen untersucht, um Einblicke in die Vorhersage aktueller Boden-P-Tests zur P-Verfügbarkeit in Pflanzen zu erhalten. Drei Boden-P-Tests wurden verglichen: Calciumacetat-Lactat (CAL), Olsen und Diffusionsgradienten in dünnen Schichten (DGT). Die Ergebnisse zeigten, dass ein Teil der zugesetzten Orthophosphate sofort im Boden fixiert wurde und mit keiner der Methoden extrahiert werden kann. Die Extraktion mit der sauren CAL-Lösung kann den unmittelbar pflanzenverfügbaren P von unlöslichem Kalziumphosphat wie Ca3(PO4)2 überschätzen. Die geeignetste Methode zur Bestimmung des unmittelbar verfügbaren P dürfte die Olsen- und DGT-Methode sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation die P-Verfügbarkeit von rezyklierten P-Düngern aus Klärschlamm und mögliche Strategien zur Verbesserung ihrer P-Nutzungseffizienz aufgezeigt hat. Sie lieferte agronomische Beweise für die Durchführbarkeit des Ersatzes von aus Phosphorit gewonnenen P-Düngern durch rezyklierte Düngemittel und neue Erkenntnisse über deren Ausbringung. Mit der kürzlich überarbeiteten EU-Verordnung über Düngemittel ist zu erwarten, dass recycelte Düngemittel bald den Markt mit Mineraldüngern teilen und zur Entwicklung einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen

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    Authors: Käsbauer, Lena;

    Drought events are increasing due to climate change, resulting in significant yield losses. Many breeding strategies focus on drought resistance to avoid these yield losses or complete crop failure. Additionally, to improve drought resistance under soil desiccation, the soil and particularly rhizosphere processes are more and more in the focus of research. Specifically, linkages between the diverse and highly dynamic interactions of soil, plant, and microorganism community must be understood. This thesis thus aims to answer the following research questions: i) Are root hairs relevant for water uptake, and what role do they play under drought? ii) Does local drought in Zea mays result in distinguishable systemic and local metabolic and physiological responses, as well as compensatory water uptake? iii) Do the physico-chemical properties of Zea mays mucilage differ between two common collection systems? In the first part, published studies considering root hairs in nutrient and water uptake were summarized, and show a high plasticity of root hairs under different nutrient and water availability states. This plasticity was apparent through changes in root hair morphology and development. Furthermore, the role of root hairs in water uptake is under discussion due to variable results from different studies and crop species. Nevertheless, it seems that overall root hairs improve drought resilience. Furthermore, a better nutrient uptake and mucilage exudation by root hairs and thus an increased drought stability is discussed. This suggests a beneficial role of root hairs for drought stress robustness. In the second part, local and systemic drought responses of maize and their effect on rhizosphere processes were assessed in a split-root experiment. The root system of maize was separated into two differently watered (watered, drought stressed) rhizobox chambers. The local drought treatment was performed for 10 days. Under these conditions, the local drought led to a local and systemic response through osmotic adjustment. Osmolarity increased in the shoot, while increased proline concentrations and slight changes in root exudates indicated a local response in the drought stressed root compartment. This metabolic adjustment contributed to a hydraulic redistribution of water between the root halves and enhanced water availability. Comparing the physico-chemical properties of maize mucilage collected by two common collection systems emphasized the impact of mucilage collection when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes. The mucilage differed in terms of physico-chemical properties, which included contact angle, viscosity, surface tension (physical) and nutrient content, pH, polysaccharide polymer length, and neutral sugar composition (chemical). The mucilage was collected in two ways: 1) from primary and seminal roots of seedlings growing in a semi-sterile aeroponic system and 2) from airborne brace roots of maize growing on sandy soil. The two collection systems differed in terms of plant age, environment (sterility, light availability, air humidity), and root type. The higher viscosity of the brace root mucilage may have reflected the drier air humidity surrounding the root and therefore the need to enhance water holding capacity. Non-sterile conditions during brace root mucilage collection probably resulted in higher shares of hexoses, while semi-sterile conditions may explain the lack of mannose in the aeroponic mucilage. Brace root mucilage may therefore have a greater relevance during soil desiccation than aeroponic mucilage. In summary, this work helps to fill knowledge gaps in understanding and linking rhizosphere processes by i) providing a state-of-the-art summary of root hair plasticity related to nutrient and water availability and concluding a beneficial role of root hairs in drought robustness, ii) showing local and systemic osmotic adjustment and hydraulic redistribution under local drought, and iii) emphasizing the role of the mucilage collection systems when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes Trockenstressereignisse häufen sich bedingt durch den Klimawandel und führen zu Ertragsverlusten. Deshalb sind zahlreiche Züchtungsprogramme auf Trockenstressresistenz ausgelegt, um so Ertragsverluste oder Komplettausfälle zu verhindern. Zusätzlich rücken der Boden und im Besonderen die Rhizosphären-Prozesse in den Forschungsvordergrund, um so die Trockenstressresistenz unter Bodenaustrocknung zu verbessern. Es ist dabei notwendig die Zusammenhänge zwischen den zahlreichen und sehr dynamischen Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismenpopulationen zu verstehen. Folglich zielt diese Arbeit darauf ab, folgende Forschungsfragen zu beantworten: i) Sind Wurzelhaare relevant in der Wasseraufnahme und welche Rolle haben sie unter Trockenheit? ii) Führt lokaler Trockenstress bei Zea mays zu systemisch- und lokal unterscheidbaren metabolischen und physiologischen Reaktionen sowie zur Kompensation in der Wasseraufnahme? iii) Unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mucilage von Zea mays aus zwei unterschiedlichen Sammelsystemen? Im ersten Teil wurden publizierte Studien zusammengefasst, welche Wurzelhaare im Zusammenhang mit Nährstoff- und Wasseraufnahme berücksichtigen. Diese zeigen eine hohe Plastizität von Wurzelhaaren unter verschiedenen Nährstoff- und Wasserverfügbarkeiten. Diese Plastizität ist erkennbar durch Veränderungen bei der Wurzelhaar-Morphologie und - Entwicklung. Die Rolle von Wurzelhaaren bei der Wasseraufnahme wird kontrovers diskutiert, da sich die Ergebnisse von verschiedenen Studien und Spezies unterscheiden. Allerdings scheint es, dass insgesamt Wurzelhaare die Trockenstressresilienz verbessern. Des Weiteren wird eine bessere Nährstoffaufnahme und Mucilage-Exsudation durch Wurzelhaare und dadurch eine erhöhte Trockenstress-Stabilität diskutiert. Dies lässt eine fördernde Rolle von Wurzelhaaren zur Trockenstressstabilität vermuten. Im zweiten Teil wurden lokale und systemische Antworten von Mais und deren Effekte auf Rhizosphären- Prozessen in einem Split-Root-Experiment beurteilt. Dafür wurde das Wurzelsystem von Mais in zwei Rhizoboxkammern aufgeteilt und unterschiedlich bewässert (bewässert, trockengestresst). Der lokale Trockenstress dauerte 10 Tage. Unter diesen Bedingungen führte die lokale Trockenheit zu einer lokalen und systemischen osmotischen Anpassung. Die Osmolalität stieg im Spross an, während erhöhte Prolin-Konzentrationen und leichte Veränderungen bei den Wurzelexsudaten eine lokale Antwort der trockengestressten Wurzelseite zeigen. Diese metabolischen Anpassungen trugen zu einer hydraulischen Umverteilung von Wasser zwischen den Wurzelhälften bei und verbesserten die Wasserverfügbarkeit. Ein Vergleich der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Mais-Mucilagen, die aus zwei üblichen Sammelsystemen stammen, zeigt die Relevanz des Sammelsystems, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll. Die Mucilagen unterschieden sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, welche Kontaktwinkel, Viskosität, Oberflächenspannung (physikalisch) und Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Länge der Polysaccharid-Polymere und Zusammensetzung der neutralen Zucker (chemisch) umfassen. Die Mucilage wurde auf zwei Arten gewonnen: 1) Absammeln von primären und seminalen Wurzeln von Maiskeimlinge, die in einem semi-sterilen aeroponischen System angezogen wurden und 2) von Luftwurzeln oberhalb des Bodens von Mais, der in Sandboden angezogen wurde. Diese zwei Sammelsysteme unterschieden sich in Pflanzenalter, Umwelt (Sterilität, Lichtverfügbarkeit, Luftfeuchtigkeit) und Wurzeltyp. Die höhere Viskosität der Luftwurzelmucilage reflektiert möglicherweise die trockenere Luftfeuchte um die Wurzel und der daraus resultierenden Notwendigkeit die Wasserhaltekapazität zu verbessern. Nicht-sterile Bedingungen bei dem Absammeln von Luftwurzelmucilage führte vermutlich zu höheren Anteilen an Hexosen, während semi-sterile Bedingungen das Fehlen von Mannose in aeroponisch gesammelter Mucilage erklären könnte. Luftwurzelmucilage hätte daher vermutlich größere Effekte auf Rhizosphären-Prozesse während Bodenaustrocknung als aeroponisch gesammelte Mucilage. Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, die Wissenslücken zu Prozessen in der Rhizosphäre zu füllen, um diese zu verstehen und miteinander zu verbinden, indem gezeigt wurde, dass i) die publizierte Literatur beschreibt, dass Wurzelhaare in Bezug auf Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit plastisch reagieren und eine vorteilhafte Rolle unter Trockenheit haben können, ii) eine lokale und systemische osmotische Anpassung sowie hydraulische Umverteilung stattfindet und iii) die Rolle des Mucilage-Sammelsystems hervorzuheben ist, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll.

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    Authors: Gebhardt, Beate; Bermejo, Gabriela; Imort-Just, Annik; Kiefer, Lukas; +2 Authors

    Um das seit Januar 2022 geltende Verbot des Kükentötens einzuhalten, schlägt das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft drei Alternativen vor, darunter das Ausbrüten von Zweinutzungshühnern. Neben züchterischen und wirt-schaftlichen Herausforderungen, Zweinutzungstiere in der Wertschöpfungs¬kette zu etablieren, werden das uneinheitliche Verständnis was überhaupt ein Zwei¬-nutzungshuhn ist und wie dessen Besonderheiten gegenüber Ver¬braucher*innen erfolgreich kommuniziert werden können, als Herausforderungen angesehen Dazulegen, was ein Zweinutzungshuhn ist bzw. welches Verständnis darüber aus Sicht von Landwirt*innen vorliegt, ist Ziel dieses Arbeitsberichts. Die deutschlandweite Online-Umfrage unter Landwirt*innen und Geflügel-halter*innen zum Verständnis und der Zukunft von Zweinutzungshühnern wurde im Herbst 2022 im Rahmen des EIP-Agri Projekts „ZweiWert“ durchgeführt. Das EIP-Projekt mit dem Titel „Aufbau von Wertschöpfungsketten für Zwei¬nutzungs¬hühner in Baden-Württemberg“ (ZweiWert) wird vom Ministerium für Ernährung, ländliche Räume und Verbraucherschutz Baden-Württemberg von 01/2022 bis 12/2024 gefördert. Projektpartner sind der Naturlandverband Baden-Württemberg, mehrere Fachgebiete der Universität Hohenheim und viele Partner aus der landwirtschaftlichen Erzeugung und Vermarktung. To comply with the ban on chick culling that has been in effect since January 2022, the Federal Ministry of Food and Agriculture proposes three alternatives, including the hatching of dual-purpose chickens. In addition to the breeding and economic challenges of establishing dual-purpose animals in the value chain, the inconsistent understanding of what a dual-purpose chicken actually is and how its characteristics can be successfully communicated to consumers are seen as challenges. The goal of this working report is to present what a dual-purpose chicken is and what understanding farmers have of it. The German nationwide online survey among farmers and poultry farmers regarding the understanding and future of dual-purpose chickens was conducted in autumn 2022 as part of the EIP-Agri project "ZweiWert." The EIP project titled "Building Value Chains for Dual-Purpose Chickens in Baden-Württemberg" (ZweiWert) is funded by the Ministry of Food, Rural Areas and Consumer Protection of Baden-Württemberg from 01/2022 to 12/2024. Project partners include the Naturland Association of Baden-Württemberg, several departments of the University of Hohenheim, and many partners from agricultural production and marketing.

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    Authors: Stürmer-Stephan, Bastian;

    Due to climate change and the need to save water, water consumption must be reduced not only in agriculture but also in urban areas. There are 55,072 sports fields in Germany that have to be irrigated in summer. In order to reduce the amount of irrigation, two approaches were researched and discussed in this thesis. The first approach is to adapt new sports fields to the local weather conditions. This approach is a decision support system, based on a model. The input variables are recorded weather data from the German Weather Service for the location where the new sports field is to be built, the hydrological properties of the substrates, and the expected costs. An optimized dimensioning of the rootzone layer is calculated by an EA solver of Microsoft Excel. This thickness of the layer can be used for the construction project. This was calculated exemplary for 3 locations. The presented model needs to be further evaluated through field trials. For existing sports fields, the root zone layer can only be changed with great effort. In this case, a biodegradable nonwoven can be installed in an existing sports field with drainage layer structure. This nonwoven transport water from the deeper drainage layer into the root zone of the turf through the capillaries, so that the water is available to the turf. To achieve this function, the 150 mm wide nonwoven must be installed vertically at a depth of 170 mm +-20 mm. During installation, the ground cover must not be reduced and the roughness of the surface must not be increased. In the present work, a device is presented, that cuts the turf, opens a furrow, incorporates the nonwoven and then closes the furrow. The device is mounted on the tractor and consists of a height guide, a cutting disc, a box coulter and a pressure roller. The device was tested on three plots with a layer structure in Stuttgart. The cutting disc works properly because no clogging was observed. A measurement frame equipped with an ultrasonic sensor, a laser range finder and a feeler wheel determined the surface roughness before and after incorporating the nonwoven. The results showed a significant increase in roughness. In order to reduce the negative impact to the ground surface, it would be possible to increase the ballasting of the device. However, harmful soil compaction must be avoided. The uniform working depth of the developed device was determined with a tachymeter and showed a deviation from the nominal depth of less than 20 mm. The results show that this meets the requirements for the device. Ground cover was measured before and after installing the nonwoven. The turf damage was less than 15 % of the ground cover, which meets the playability requirements. Reconsolidation was determined by penetrologger and evaluated in profile. The soil recompaction, measured as penetration resistance, was similar to the status quo, except in the area close to the nonwoven, where the recompaction failed. The furrows of the developed device can be recompacted more effectively by using two pressure roller, attached V-shaped. But it must be verified that the two pressure rollers do not cause ridge formation, as is the case with seed drills. Overall, the performance of the device can be considered positive, but improvements are still needed to improve reconsolidation. These improvements can be verified in future investigations. At the same time, the effectiveness of the nonwoven must be evaluated in the future. Preliminary tests have shown that the capillary action is sufficient to transport water from the drainage layer to the root zone. Aufgrund des Klimawandels und der Notwendigkeit, Wasser zu sparen, muss der Wasserverbrauch nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in städtischen Gebieten reduziert werden. In Deutschland gibt es 55.072 Sportplätze, die im Sommer bewässert werden müssen. Um die Bewässerungsmenge zu reduzieren, wurden in dieser Arbeit zwei Ansätze erforscht und diskutiert. Der erste Ansatz ist für neu angelegte Rasensportplätze konzipiert und basiert auf einer Modellierung des erforderlichen Rasentragschichtaufbaus für einen Rasensportplatz. Die Eingangsgrößen sind aufgezeichnete Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes für den Standort des neu zu errichtenden Sportplatz, die hydrologischen Eigenschaften der Substrate und die zu erwartenden Kosten. Eine optimierte Dimensionierung der Rasentragschichtdicke wird mit einem EA-Solver von Microsoft Excel berechnet. Diese Dimensionierung kann für das Bauprojekt verwendet werden. Die vorgestellte Modellierung muss in zukünftigen Untersuchungen durch Feldversuche evaluiert werden. Bei bestehenden Rasenspielfeldern kann die Rasentragschicht nur mit großem Aufwand verändert werden. Für diesen Fall wird ein biologisch abbaubares Vlies in einen bestehenden Sportplatz mit Drainageschichtaufbau eingebaut. Das Vlies transportiert das Wasser aus der tieferen Drainageschicht über die Kapillaren in die Wurzelzone des Rasens, so dass das Wasser dem Rasen zur Verfügung steht. Um diese Funktion zu gewährleisten, muss das 150 mm breite Vlies vertikal in einer Tiefe von 170 mm +-20 mm verlegt werden. Bei der Verlegung darf die Bodenbedeckung nicht verringert und die Rauheit der Oberfläche nicht erhöht werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Gerät vorgestellt, das die Grasnarbe schneidet, eine Furche öffnet, das Vlies einarbeitet und die Furche wieder schließt. Das Gerät ist an den Traktor angebaut und besteht aus einer Höhenführung, einer Schneidscheibe, einem Kastenschar und einer Andruckrolle. Das Gerät wurde auf drei Rasenparzellen mit Tragschichtaufbau in Stuttgart getestet. Die Schneidscheibe verhinderte erfolgreich die Entstehung von Verstopfungen im Arbeitsbereich. Ein Messwagen, der mit einem Ultraschallsensor, einem Laserentfernungsmesser und einem Tastrad ausgestattet ist, ermittelte die Oberflächenrauhigkeit vor und nach der Einarbeitung des Vlieses. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Zunahme der Rauheit. Um die negative Veränderung der Bodenoberfläche zu reduzieren wäre es möglich die Ballastierung des Arbeitsgerätes zu erhöhen. Dabei müssen jedoch schädliche Bodenverdichtungen vermieden werden. Die gleichmäßige Tiefe des Vlieses wurde mit einem Tachymeter bestimmt und zeigte eine Abweichung von der Solltiefe von weniger als 20 mm. Die Bodenbedeckung wurde vor und nach dem Einbau des Vlieses gemessen. Die Beschädigung der Grasnarbe betrug weniger als 15 % der Bodendecke, was den Anforderungen an die Bespielbarkeit entspricht. Die Rückverfestigung wurde mit einem Penetrologger bestimmt und im Profil ausgewertet. Die als Eindringwiderstand gemessene Rückverfestigung des Bodens entsprach dem Status quo, mit Ausnahme des Bereichs direkt neben dem Vliese, wo die Rückverfestigung nicht ausreicht. Die Furchen des entwickelten Gerätes könnten durch den Einsatz von zwei V-förmig angebrachten Andruckrollen besser rückverfestigt werden. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die beiden Andruckrollen keine Dammbildung verursachen, wie es bei Sämaschinen der Fall ist. Insgesamt kann die Leistung des Geräts als positiv angesehen werden, aber es sind noch Verbesserungen erforderlich, um die Rückverfestigung zu verbessern. Diese Verbesserungen können in zukünftigen Untersuchungen überprüft werden. Gleichzeitig muss die Wirksamkeit des Vlieses bewertet werden. Dies war nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Vorversuche haben gezeigt, dass die Kapillarwirkung ausreicht, um Wasser aus der Drainageschicht in die Wurzelzone zu transportieren.

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    Authors: Dittmer, Celina;

    Die Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar. Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben. Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem „Unterer Lindenhof“, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor „Unterer Lindenhof“ eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt. The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential. The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available. In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology. All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory. The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible.

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    Authors: Kononov, Susanne Ursula;

    The transition period, defined as three weeks before to three weeks after parturition, is one of the most critical times in the production cycle of dairy cows. On the one hand, cows have to cope with increased energy demand, while on the other hand, feed intake decreases due to stress and pain during parturition. This results in an negative energy balance and, consequently, at the beginning of body fat tissue mobilization. Lipomobilization increases the blood concentration of NEFA. This is accompanied by an increase in the blood concentration of ketone bodies, such as BHB. In addition to changes in energy metabolism, alterations in the immune function of dairy cows occur during the transition period. Stress and pain during calving lead to elevated blood levels of glucocorticoids, such as cortisol, which affect the immune system. Furthermore, the immune system is affected by increased concentrations of NEFA and BHB. At the same time, oxidative stress occurs due to an imbalance between the production of reactive oxygen species (ROS) and the activity of the antioxidative system. In general, the period around calving and its consequences constitute a very complex process influenced by many interdependent factors. One key factor in energy production is the quaternary amine L-carnitine (LC), which is necessary for the transport of short-chain fatty acids from the cytosol to the mitochondrial matrix. Furthermore, several studies have demonstrated the antioxidant and membrane-stabilizing effects of LC. This study aimed to investigate the effects of dietary LC supplementation on energy metabolism, hematology, and immune functions of dairy cows during the transition period. In addition, the first 72 h after calving were observed at high resolution to show the characteristic courses of the examined parameters, which, to the best of our knowledge, have not yet been analyzed. To attain this aim, 60 pluriparous Holstein Friesian cows were assigned to two groups based on their lactation number, body weight, body condition score, and fat-corrected milk yield from previous lactation. The LC group (CAR) received 25 g of rumen-protected LC. The study started 42 days before excepted calving and ended 110 days after parturition. To evaluate the performance and health of the animals, feed and milk samples were collected regularly, and feed intake, milk yield, body weight, and BCS were documented (Manuscript I). Additionally, NEB was calculated, and NEFA, BHB, and triglyceride concentrations in the blood were determined (Manuscript I). Also, the concentration of LC in the blood as well as that of the precursors γ-butyrobetaine (γBB), Nε-trimethyllysine (TML), and acetylcarnitine (ACA) was examined (Manuscript I). Red blood cell counts and antioxidant enzyme activity were measured to obtain more information on the oxygen supply and antioxidant status of the animals (Manuscript II). To evaluate the immunological status and inflammatory response, white blood cell count, phagocytic activity, ROS production, and lymphocyte populations were analyzed (Manuscript III). Dietary supplementation with LC increases blood LC, γBB, and ACA concentrations. Furthermore, LC supplementation resulted in better utilization of NEFA and TG. This was manifested by an increased blood concentration of triglycerides and a lower concentration of NEFA. Moreover, increased levels of platelets and eosinophils were detected in the CAR group, confirming the membrane-stabilizing effect of LC and the associated longer cell lifespan. Additionally, immunological functions were affected by LC supplementation. The ability of polymorphonuclear cells (PMN) to phagocytose bacteria was analyzed by the mean fluorescence intensity (MFI) of ROS-producing PMN, and the phagocytic capacity decreased compared to the CON group. Simultaneously, the efficiency of ROS production by PMN increased in CAR cows. These results suggest an altered immune function around calving, but not suppression, as is often described in the literature. In addition, this study showed that calving affected almost all analyzed data. The strongest changes in hematology and cell function were found four hours after calving. Furthermore, the influence of LC supplementation on immunological parameters was observed in the first few hours after parturition, indicating that LC supplementation may have an effect at energetically critical times. In conclusion, the present study showed that dietary LC supplementation affected energy metabolism, cell vitality, and cell function during the critical period around calving. However, this study also showed the clear influences of calving, which may be even more pronounced than animal-specific differences. Future studies should record the LC supply of cells to enable a more detailed description of the energetic situation of cells such as blood cells. Die Transitphase ist eine der kritischsten Zeiten im Reproduktionszyklus einer Milchkuh. Zum einen müssen die Kühe einen erhöhten Energiebedarf bewältigen, zum anderen ist die Futteraufnahme aufgrund von Schmerzen und Stress reduziert. Hieraus resultiert eine negative Energiebilanz und der Körper beginnt Fettreserven abzubauen. Durch die Lipomobilisation erhöht sich die Konzentration an NEFA im Blut. Dies geht einher mit einem Anstieg der Blutkonzentration von Ketonkörpern wie BHB. Zusätzlich kommen in der Transitphase der Milchkuh massive Veränderungen in der Immunfunktion hinzu. Durch Stress und Schmerzen während der Geburt steigt der Blutspiegel der Glucocorticoide wie Cortisol, die das Immunsystem beeinflussen. Darüber hinaus wird das Immunsystem durch die erhöhten Konzentrationen von NEFA und BHB beeinflusst. Gleichzeitig entsteht oxidativer Stress durch eine Imbalance in der Produktion von ROS und der Aktivität des antioxidativen Systems. Insgesamt ist die Periode um die Kalbung ein sehr komplexer Prozess, welcher von vielen verschiedenen voneinander abhängigen Faktoren beeinflusst wird. Eine wichtige Schlüsselfunktion für die Energiegewinnung könnte dabei das quartäre Amin L-Carnitin (LC) einnehmen, das für den Transport von kurzkettigen Fettsäuren aus dem Zytosol in die mitochondriale Matrix notwendig ist. Des Weiteren konnte in mehreren Studien eine antioxidative und membranstabilisierende Wirkung von LC nachgewiesen werden. Die Hypothese dieser Arbeit war daher herauszufinden, ob eine LC Supplementierung einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel, die Hämatologie und die Immunfunktionen der Kuh während der Transitphase hat. Zusätzlich wurden, unserer Kenntnis nach zum ersten Mal, die ersten 72 Stunden nach der Kalbung hochaufgelöst untersucht, um charakteristische Verläufe einzelner untersuchter Parameter darstellen zu können. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden 60 pluripare Holstein Friesian Kühe in zwei Gruppen eingeteilt. Die L-Carnitin Gruppe (CAR) erhielt 25 g pansengeschütztes LC pro Kuh und Tag. Der Versuch begann 42 Tage vor der erwarteten Kalbung und endete 110 Tag nach der Geburt. Zur Bewertung der Produktionsleistung und der Gesundheit der Tiere wurden regelmäßig Futter- und Milchproben genommen, Futteraufnahme und Milchleistung erfasst sowie Körpergewicht und BCS festgehalten (Manuskript I). Zusätzlich wurde die NEB berechnet und den Tieren Blut entnommen, um die NEFA-, BHB- und Triglycerid-Konzentrationen zu bestimmen (Manuskript I). Ebenfalls wurde die LC- Konzentration im Blut untersucht sowie die der Vorläufer γ-Butyrobetain (γBB), Nε-Trimethyllysin (TML) und Acetylcarnitin (ACA) (Manuskript I). Zusätzlich wurde das rote Blutbild und die Aktivität antioxidativer Enzyme bestimmt, um nähere Informationen zur Sauerstoffversorgung der Tiere und des antioxidativen Status zu erhalten (Manuskript II). Zur Bewertung von immunologischen Vorgängen und Entzündungsgeschehen wurde das weiße Blutbild, die Phagozytoseaktivität, die ROS-Produktion und die Lymphozytenpopulationen näher untersucht (Manuskript III). Durch die Supplementierung mit LC konnte ein Anstieg der LC-Blutspiegel sowie auch der Vorläuferstufen γBB und ACA festgestellt werden. Die LC Supplementierung führte zudem zu einer besseren Verwertung von NEFA und TG. Dies äußerte sich in einer erhöhten Konzentration von TG im Blut und einer niedrigeren NEFA-Konzentration. Außerdem konnten in der CAR Gruppe erhöhte Anteile von Thrombozyten und Eosinophilen festgestellt werden. Dies bestätigte die membranstabilisierende Wirkung von LC und eine damit verbundene längere Lebensdauer der Zellen. Die Immunfunktion wurde ebenfalls durch LC beeinflusst. Die Fähigkeit der polymorph-nukleären Zellen (PMN) Bakterien aufzunehmen, nahm im Vergleich zur CON-Gruppe ab. Neben dieser Fähigkeit schien in der CAR Gruppe zur gleichen Zeit auch die Phagozytosekapazität geringer zu sein, begleitet von einer effizienteren Produktion von ROS durch die PMN. Diese Ergebnisse deuten zwar auf eine veränderte Immunfunktion um die Kalbung herum hin, allerdings nicht auf eine in der Literatur oft beschriebene Supprimierung. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Kalbung nahezu alle erhobenen Daten beeinflusst hat. Die stärksten Veränderungen in der Hämatologie und der Zellfunktion wurden vier Stunden nach der Kalbung festgestellt. In dieser Zeit wurden auch die Effekte durch LC gefunden, was darauf hindeutet, dass LC durchaus einen Einfluss haben kann, allerdings nicht generell, sondern nur zu energetisch kritischen Zeiten. Abschließend konnte diese Studie zeigen, dass eine diätetische LC Supplementierung in kritischen Zeiten einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel hat und die Vitalität und Funktion von Zellen beeinflussen kann. Allerdings zeigten sich in dieser Studie auch deutliche Einflüsse der Kalbung, welche möglicherweise sogar stärker ausgeprägt sind als tierindividuelle Unterschiede.

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