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Landscape structure, climate variability, and soil quality shape crop biomass patterns in agricultural ecosystems of Bavaria

Dhillon, Maninder Singh und Koellner, Thomas und Asam, Sarah und Bogenreuther, Jakob und Dech, Stefan und Gessner, Ursula und Gruschwitz, Daniel und Annuth, Sylvia Helena und Kraus, Tanja und Rummler, Thomas und Schaefer, Christian und Schönbrodt-Stitt, Sarah und Steffan-Dewenter, Ingolf und Wilde, Martina und Ullmann, Tobias (2025) Landscape structure, climate variability, and soil quality shape crop biomass patterns in agricultural ecosystems of Bavaria. Frontiers in Plant Science (FPLS), 16, Seiten 1-21. Frontiers Media S.A.. doi: 10.3389/fpls.2025.1630087. ISSN 1664-462X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
20MB

Offizielle URL: https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2025.1630087/full

Kurzfassung

Understanding how environmental variability shapes crop biomass is essential for improving yield stability and guiding climate-resilient agriculture. To address this, we compared biomass estimates from a semi-empirical light use efficiency (LUE) model with predictions from a machine learning–remote sensing framework that integrates environmental variables. We applied a combined LUE and random forest (RF) model to estimate the mean biomass of winter wheat and oilseed rape across Bavaria, Germany, from 2001 to 2019. Using a 5 km2 hexagon-based grid, we incorporated landscape metrics (land cover diversity, small woody features), topographic variables (elevation, slope, aspect), soil potential, and seasonal climate predictors (mean and standard deviation of temperature, precipitation, and solar radiation) across the growing season. The RF-based approach improved predictive accuracy over the LUE model alone, particularly for winter wheat. Biomass patterns were shaped by both landscape configuration and climatic conditions. Winter wheat biomass was more influenced by topographic and landscape features, while oilseed rape was more sensitive to solar radiation and soil properties. Moderately diverse landscapes supported higher biomass, whereas an extreme landscape fragmentation or high variability showed lower values. Temperature thresholds, above 21 °C for winter wheat and 12 °C for oilseed rape, were associated with biomass declines, indicating crop-specific sensitivities under Bavarian conditions. This hybrid modeling approach provides a transferable framework to map and understand crop biomass dynamics at scale. The findings offer region-specific insights that can support sustainable agricultural planning in the context of climate change.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218846/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Landscape structure, climate variability, and soil quality shape crop biomass patterns in agricultural ecosystems of Bavaria
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Dhillon, Maninder Singhmaninder.dhillon (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Koellner, ThomasUniversity BayreuthNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Asam, Sarahsarah.asam (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-7302-6813NICHT SPEZIFIZIERT
Bogenreuther, JakobUniversity BayreuthNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dech, StefanStefan.Dech (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gessner, Ursulaursula.gessner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8221-2554197349625
Gruschwitz, DanielUniversity of WürzburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Annuth, Sylvia HelenaUniversity of BayreuthNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kraus, TanjaTanja.Kraus (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9245-9278197349626
Rummler, ThomasUniversität AugsburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schaefer, ChristianUniversity of WürzburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schönbrodt-Stitt, Sarahsarah.schoenbrodt-stitt (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Steffan-Dewenter, Ingolfingolf.steffan (at) uni-wuerzburg.dehttps://orcid.org/0000-0003-1359-3944NICHT SPEZIFIZIERT
Wilde, MartinaUniversity of WürzburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ullmann, Tobiastobias.ullmann (at) uni-wuerzburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:7 August 2025
Erschienen in:Frontiers in Plant Science (FPLS)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:16
DOI:10.3389/fpls.2025.1630087
Seitenbereich:Seiten 1-21
Verlag:Frontiers Media S.A.
Name der Reihe:Sec. Sustainable and Intelligent Phytoprotection
ISSN:1664-462X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:crop biomass modeling, landscape diversity, climate variability, random forest regression, small woody features, climate-resilient agriculture, sustainable agriculture, machine learning
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Fernerkundung u. Geoforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Dynamik der Landoberfläche
Hinterlegt von: Asam, Dr. Sarah
Hinterlegt am:19 Nov 2025 10:57
Letzte Änderung:19 Nov 2025 10:57

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