TY - THES A1 - Neumann, Lena T1 - Improving the apple carbon balance model MaluSim by integrating and testing water deficit and fruit drop effects N2 - Apple (Malus x domestica Borkh.) is the major tree fruit in Germany, but there still exist major uncertainties in commercial apple production. Thinning has been practiced for many years and is an essential part for successful apple production, but is still an unpredictable part with large variations from year to year and even within years. Another uncertainty for apple growers is the need of apple trees for adequate water supply. Due to the advancing climate change apple growers are uncertain whether additional irrigation will be necessary during the establishment phase of young apple trees. Therefore, to facilitate these decisions in future, the motivation of this study was to acquire a universal apple model to be used in Germany and Central-Europe. The apple carbon-balance model MaluSim which has been developed in the USA was chosen as a basis. At first, the model has been parameterized for German growing conditions and first simulation runs were conducted. In comparison to the original model, the seasonal assimilate production for German standard trees was about half of the one for standard trees in the USA, while standard trees in Germany were only about one third of the size of US ones. Subsequently, the previously untested fruit growth and abscission submodel has been modified and tested. Simulated final fruit numbers were compared to counted fruit numbers of unthinned trials in Zornheim (GER), Jork (GER), Lindau (CH), Güttingen (CH) and Wädenswil (CH). The modification ‘G4-4’ showed good simulation results with very low deviations to actual fruit numbers. Average deviation to fruit numbers was only 3.7 %. Results indicate that the model is able to very adequately calculate final fruit numbers of natural fruit drop of Central-European apple trees and that it could be a tool used for thinning advices. Based on published data, a new water submodel has been included into the MaluSim framework to additionally improve the model. Midday stem water potential has been used as an indicator for water status of the tree. A water stress effect on long shoot growth, respiration, and photosynthesis based on midday stem water potential was used in the water submodel. First simulation runs using the new water submodel indicate that general behavior is realistic. Modeling results generally corresponded to findings of published experimental results. The submodel is able to simulate variable intensities of water deficit effects at variable times. To study the effects of additional irrigation and water deficits on young apple orchards a field experiment was conducted during 2012 and 2013 in Geisenheim, Germany. Trees of the cultivars ‘Fresco’ (‘Wellant®’), ‘Jugala’, and ‘AW 106’ (‘Sapora®’) were planted in autumn 2011 in a randomized plot design. In 2012, three irrigation treatments, CT (control treatment, only rain fed), NT (normal treatment, irrigated with 2 L/tree/day), and ET (evapotranspiration treatment, irrigation based on calculated water balance), were applied and effects on tree growth and physiology were recorded in 2012 and 2013. Besides soil moisture, water status of the trees has been recorded using predawn and midday stem water potential measurements. In both years, amounts of precipitation were higher than the 30-year average for the site, with 2013 being wetter than 2012. Between treatments, statistically significant differences developed in both seasons, but were less profound in 2013. In 2012, vegetative growth recorded in NT and ET was statistically significantly higher than in CT for all cultivars. In the wetter season 2013, similar tendencies evolved. But only in ‘Jugala’ and ‘Fresco’ long shoot growth and wood surface area was significantly higher, while for ‘AW 106’ differences in long shoot growth were not statistically significant. Similar results were obtained for the first harvest in 2013. Light interception and calculated leaf area, measured in ‘Fresco’, was significantly lower in CT trees (2012: 17.4 %; 2013: 24.9 %) compared to ET (2012: 26.3 %; 2013: 42.1 %) and NT (2012: 24.2 %; 2013: 38.3 %), in both years. Additionally, differences between CT and the two irrigated treatments were found for leaf gas exchange rates during the seasons. A relationship between midday stem water potential and leaf gas exchange has been confirmed. Grouping of photosynthesis measurements according to midday stem water potentials led to statistically significant differences between groups. Photosynthesis started to decrease between -1 and -1.5 MPa. In conclusion, the results show that although both years have even been wetter than usual, the additional irrigation was highly beneficial for tree growth and had a positive effect on orchard establishment. This effect is supposed to be considerably higher in drier years. N2 - Der Apfel ist eine der wichtigsten kommerziell angebauten Obstarten in Deutschland. Für die Apfelproduzenten gibt es jedoch einige Methoden und Investitionen, die mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Die Ausdünnung wird schon seit vielen Jahren eingesetzt und ist eine essentielle Methode für den erfolgreichen Apfelanbau. Jedoch zeigt sie eine sehr hohe Variabilität zwischen Jahren als auch zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines Jahres und liefert dadurch häufig unerwartete Ergebnisse. Außerdem beschäftigt die Anbauer die Frage ob aufgrund des fortschreitenden Klimawandels eine Zusatz-bewässerung vor allem für die Etablierung von jungen Bäumen mit noch geringem Wurzelvolumen in Zukunft notwendig sein wird. Um diese wichtigen Entscheidungen in Zukunft erleichtern zu können wurde im Rahmen dieser Arbeit ein universell einsetzbares Apfel-Modell zur Anwendung in Deutschland und Mitteleuropa erarbeitet. Als Basis diente das in den USA entwickelte Kohlenstoffbilanzmodell MaluSim. Dieses wurde zunächst an mitteleuropäische Bedingungen angepasst und erste Simulationsläufe zum Vergleich mit dem Originalmodell wurden durchgeführt. Hierbei zeigte die Simulation der kumulierten Gesamt-Assimilatproduktion einer Saison bei den, nur ein Drittel so großen, deutschen Standardbäumen halb so hohe Werte als für Standardbäume in den USA. Im Folgenden wurde das bisher nicht funktionierende MaluSim Fruchtsubmodell modifiziert und dahingehend getestet, ob es in der Lage ist, den natürlichen Fruchtfall korrekt zu berechnen. Hierfür wurden modellierte Fruchtzahlen mit gezählten Fruchtzahlen unausgedünnter Varianten von Apfelanlagen aus Versuchen in Zornheim (D), Jork (D), Lindau (CH), Güttingen (CH) und Wädenswil (CH), verglichen. Bei diesem Test konnte das modifizierte Modell ‘G4-4’ besonders überzeugen. Die mittlere Abweichung der modellierten Werte zu den tatsächlich gezählten Fruchtanzahlen lag bei lediglich 3,7 %. Die Ergebnisse zeigen, dass das modifizierte Modell ‘G4-4’ den natürlichen Fruchtfall sehr zufriedenstellend berechnen konnte und dass das Modell das Potential hat auch im Bereich Ausdünnungsempfehlungen eingesetzt zu werden. Des Weiteren wurde, basierend auf veröffentlichten Daten, ein Wassersubmodell ent-wickelt und in das Modell ‚G4-4‘ integriert. Hierbei wurde das mittägliche Stammwasser-potential als Indikator für den Wasserstatus des Baumes herangezogen. Aus diesem Parameter werden Wasserdefiziteffekte für das Langtriebwachstum, die Respiration, sowie für die Photosynthese berechnet. Erste Simulationsläufe zeigen generell realistische, mit veröffentlichten Erkenntnissen vergleichbare, Ergebnisse. Das Submodell ermöglicht eine Simulation von unterschiedlich starken Wasserdefiziteffekten zu variablen Zeitpunkten. Zusätzlich wurde zur Untersuchung der Auswirkungen von Zusatzbewässerung und Wassermangel auf neugepflanzte Apfelbäume ein Feldexperiment in Geisenheim, Deutschland durchgeführt. Jungpflanzen der Sorten ‘Fresco’ (‘Wellant®’), ‘Jugala’, und ‘AW 106’ (‘Sapora®’) wurden im Herbst 2011 in randomisierten Blöcken gepflanzt. Ab 2012 erfolgten drei verschiedene Bewässerungsvarianten: CT (Kontroll-Behandlung) wurde nicht bewässert und nur durch natürliche Regenfälle befeuchtet, NT (Normal-Behandlung) wurde zusätzlich mit 2 l/Baum/Tag bewässert, und ET (Evapotranspiration-Behandlung) wurde nach Berechnung der Wasserbilanz (Niederschlag und Verdunstung) bewässert. Die Auswirkungen der drei Varianten auf das Wachstum und die Physiologie der Bäume wurden in den Jahren 2012 und 2013 gemessen. Neben Bodenwassergehalten wurde der Wasserstatus der Bäume durch die Messung des frühmorgendlichen sowie des mittäglichen Stammwasserpotentials bestimmt. In beiden Versuchsjahren kam es zu höheren Niederschlagsmengen als im 30-jährigen Mittel von 1981 bis 2010, wobei 2013 nasser als 2012 war. Statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Varianten konnten vor allem in der Saison 2012 gefunden werden. 2012 war das vegetative Wachstum der Bäume in den beiden bewässerten Varianten NT und ET bei allen Sorten signifikant höher als in der unbewässerten CT Variante. In der niederschlagsreicheren Saison 2013 zeigten sich ähnliche Tendenzen, jedoch konnten nur bei ‚Jugala‘ und ‘Fresco’ signifikante behandlungsbedingte Unterschiede des Langtriebwachstums und der Holzoberfläche nachgewiesen werden, während für ‘AW 106’ die Unterschiede im Langtriebwachstum nicht statistisch signifikant waren. Ähnliche Ergebnisse zeigten sich für die erste Ernte in 2013. Die Lichtaufnahme, sowie die berechnete Gesamtblattfläche, der Bäume, gemessen für ‘Fresco’, war in beiden Jahren statistisch signifikant deutlich niedriger in der unbewässerten CT Variante (2012: 17,4 %; 2013: 24,9 %) als bei ET (2012: 26,3 %; 2013: 42,1 %) und NT (2012: 24,2 %; 2013: 38,3 %). Des Weiteren konnten zu bestimmten Zeitpunkten signifikant niedrigere Photosyntheseraten für CT als für ET und NT durch Gaswechselmessungen der Blätter nachgewiesen werden. Durch eine Gruppierung der Werte in Bezug auf das zugehörige gemessene mittägliche Stammwasserpotential der Bäume konnte belegt werden, dass mit abnehmendem Wasserpotential auch die Photosyntheserate statistisch signifikant abnimmt. Der Beginn des Absinkens liegt im Bereich zwischen -1 und 1,5 MPa. Die Ergebnisse des Versuchs zeigen, dass, trotz der höheren Niederschlagsmengen, die Zusatzbewässerung einen ausgesprochen positiven Effekt auf die Etablierung der Bäume hatte. Dieser Effekt sollte in trockenen Jahren noch deutlich ausgeprägter ausfallen. KW - apple KW - carbon balance KW - water deficit KW - photosynthesis KW - natural fruit drop Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:hebis:2083-139 N1 - Version ohne Lebenslauf Die Arbeit ist in Kooperation mit der Leibniz Universität Hannover entstanden und auch dort veröffentlicht.(https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/10266) VL - 2020 PB - Hochschule Geisenheim CY - Geisenheim ET - 1. Auflage ER -