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An empirical and simulation-based assessment of tree growth in temperate alley-cropping systems

Eine empirische und simulationsbasierte Bewertung des Baumwachstums in gemäßigten Alley-Cropping Systemen

  • The potential of biomass generated from dedicated energy crops, used in short-rotation coppices (SRC), progressively grows recognition as a flexible primary source for the generation of energy, heat, fuel, and bio-based materials and chemicals. The alley-cropping systems (ACSs), which can integrate tree strips managed as SRC into agriculturally managed fields, are often regarded as an adaptable multi-crop land-use strategy that can provide ecological and economic benefits. The research aim of the present dissertation has focused on investigating the prospective implications of different site-specific conditions and scenarios on tree growth in ACSs with SRC, thus incorporating several experimental and simulation-based studies. For this, the ability of a process-oriented, eco-physiological tree growth model was investigated in order to (i) impute missing empirical data, thus securing a reliable repository of tree growth characteristics, (ii) simulate the tree growth in terms of woody biomass production in strong relation to theThe potential of biomass generated from dedicated energy crops, used in short-rotation coppices (SRC), progressively grows recognition as a flexible primary source for the generation of energy, heat, fuel, and bio-based materials and chemicals. The alley-cropping systems (ACSs), which can integrate tree strips managed as SRC into agriculturally managed fields, are often regarded as an adaptable multi-crop land-use strategy that can provide ecological and economic benefits. The research aim of the present dissertation has focused on investigating the prospective implications of different site-specific conditions and scenarios on tree growth in ACSs with SRC, thus incorporating several experimental and simulation-based studies. For this, the ability of a process-oriented, eco-physiological tree growth model was investigated in order to (i) impute missing empirical data, thus securing a reliable repository of tree growth characteristics, (ii) simulate the tree growth in terms of woody biomass production in strong relation to the interactions with adjacent crops and their respective resource capture, (iii) predict and evaluate the tree growth sensitivity to prospective climate changes, thus performing risk assessments for the near and distant future, and (iv) derive and assess the land equivalent ratio (LER) and gross energy yield for different climatic, soil, and management scenarios. The findings have corroborated the potential tree growth vulnerability to prospective climatic changes, particularly to changes in water availability, and have underlined the importance of coping management strategies in SRC for forthcoming risk assessments and adaptation scenarios. Both LER and gross energy yields had resulted in a convex curve where the maximum values were achieved when either the tree or crop component was dominant (>75% of the land area) and minimum when these components shared similar proportions of land area. Collectively, the implications of different site-specific conditions and scenarios on tree growth in ACSs with SRC have been investigated in order to improve the decision-making, optimization, and adaptation of such systems. Last but not least, this dissertation has emphasized the considerable potential of modelling approaches in ACSs, as they can impute missing data from scarce available data and simulate tree and crop yields for specific site-conditions in a non-intrusive, inexpensive, and prompt way while supporting early site-setup planning.show moreshow less
  • Das Potenzial von Biomasse, die aus speziellen Energiepflanzen, wie sie in Kurzumtriebsplantagen (KUP) verwendet werden, wird zunehmend als flexible Primärquelle für biobasierte Materialien und Chemikalien, sowie für die Erzeugung von Energie, Wärme, und Kraftstoff anerkannt. Alley-Cropping-Systeme (ACSs), die Baumstreifen zum Beispiel als KUP in landwirtschaftlich genutzte Flächen integrieren können, werden oft als anpassungsfähige Multi-Crop-Flächennutzungsstrategie angesehen, welche ökologische und wirtschaftliche Vorteile bringen kann. Die vorliegende Dissertation hat sich auf die Untersuchung der prospektiven Auswirkungen verschiedener standortspezifischer Bedingungen und Szenarien auf das Baumwachstum in ACSs mit KUP konzentriert. Für diesen Zweck wurden mehrere experimentelle und simulationsbasierte Studien angefertigt. Dazu wurde die Anwendbarkeit eines prozessorientierten, ökophysiologischen Baumwachstumsmodells auf die folgenden hin zu untersuchen: (i) Ermittlung fehlender empirischer Daten für die Schaffung einesDas Potenzial von Biomasse, die aus speziellen Energiepflanzen, wie sie in Kurzumtriebsplantagen (KUP) verwendet werden, wird zunehmend als flexible Primärquelle für biobasierte Materialien und Chemikalien, sowie für die Erzeugung von Energie, Wärme, und Kraftstoff anerkannt. Alley-Cropping-Systeme (ACSs), die Baumstreifen zum Beispiel als KUP in landwirtschaftlich genutzte Flächen integrieren können, werden oft als anpassungsfähige Multi-Crop-Flächennutzungsstrategie angesehen, welche ökologische und wirtschaftliche Vorteile bringen kann. Die vorliegende Dissertation hat sich auf die Untersuchung der prospektiven Auswirkungen verschiedener standortspezifischer Bedingungen und Szenarien auf das Baumwachstum in ACSs mit KUP konzentriert. Für diesen Zweck wurden mehrere experimentelle und simulationsbasierte Studien angefertigt. Dazu wurde die Anwendbarkeit eines prozessorientierten, ökophysiologischen Baumwachstumsmodells auf die folgenden hin zu untersuchen: (i) Ermittlung fehlender empirischer Daten für die Schaffung eines zuverlässigen Datenbestandes von Baumwachstumsmerkmalen; (ii) Simulation des Baumwachstums bzw. die Produktion von holzartiger Biomasse in Zusammenhang mit den Wechselwirkungen zwischen benachbarten Ackerkulturen und deren jeweiliger Ressourcennutzung; (iii) Vorhersage und Bewertung der Empfindlichkeit des Baumwachstums gegenüber zukünftigen Klimaänderungen, und die Durchführung von Risikobewertungen für die nahe und ferne Zukunft; (iv) Ableitung und Bewertung des Flächenäquivalenzverhältnisses und des Bruttoenergieertrages von ACSs für verschiedene Klima-, Boden- und Managementszenarien. Die Ergebnisse der Studie haben die potenzielle Anfälligkeit des Baumwachstums für künftige klimatische Veränderungen, insbesondere hinsichtlich der Entwicklung der Wasserverfügbarkeit, bestätigt. Des Weiteren wurde die Bedeutung von Bewältigungsstrategien in KUP für bevorstehende Risikobewertungen und Anpassungsszenarien durch die Studie hervorgehoben. Sowohl das Flächenäquivalenzverhältnis als auch die Brutto-Energieerträge führten zu einer konvexen Kurve, bei der die Maximalwerte erreicht wurden, wenn entweder die Baum- oder die Pflanzenkomponente dominant war (>75% der Landfläche). Die Minimalwerte wurden erreicht, wenn beide Komponenten ähnliche Anteile der Landfläche hatten. Zusammenfassend wurden die Auswirkungen verschiedener standortspezifischer Bedingungen und Szenarien auf das Baumwachstum in ACSs mit KUP untersucht, um die Entscheidungsfindung zu erleichtern, sowie die Optimierung und Adaptierung solcher Systeme zu verbessern. Abschließend, unterstrich diese Dissertation das erhebliche Potenzial von Modellierungsansätzen in ACSs, da sie fehlende Informationen aus wenigen verfügbaren Daten implizieren, und Baum- und Ernteerträge für bestimmte Standortbedingungen auf eine nicht intrusive, kostengünstige und schnelle Art und Weise simulieren können, und gleichzeitig eine frühzeitige Planung des Standortaufbaus unterstützen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Diana-Maria SesermanORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51038
Referee / Advisor:Apl. Prof. Dr. agr. habil. Dirk FreeseORCiD
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2019/12/13
Release Date:2020/02/03
Tag:Agroforstwirtschaft; Biomasse; Effizienz der Landnutzung; Statistik
Agroforestry; Biomass; Land-use efficiency; Statistics; Yield-SAFE
GND Keyword:Alley cropping; Pflanzlicher Rohstoff; Ressourceneffizienz; Pflanzenwachstum; Modell
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Bodenschutz und Rekultivierung
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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