Promotionsprojekt von Annika Lingner

Merkmale für Wasser- und Nährstoffnutzung in Reinsaaten und Gemengen

 

Einleitung

In Zukunft wird es einen wachsenden Bedarf an verbesserten Konzepten für landwirtschaftliche Systeme geben, die Produktivität, Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Stresstoleranz sichern. Eine vielversprechende Möglichkeit ist dabei die Entwicklung und Untersuchung von alternativen Anbausystemen wie dem Gemengeanbau, bei dem Bestandesarchitektur und unterschiedliche Wurzelausbildung die Effizienz der Licht- und Wassernutzung sowie der Nährstoffaufnahme erhöhen können. Mischanbau von Getreide und Leguminosen ist vergleichsweise verbreitet, wobei die Einführung von N2-fixierenden Leguminosen in Getreide-basierte Fruchtfolgen zu verringertem Bedarf an Stickstoffdünger und reduzierter Abhängigkeit von externem Input führen kann.

 

Verbesserung der Wassernutzungseffizienz im Gemengeanbau

Dabei ist eins der bedeutendsten Ziele die Identifikation von Genotypen, die im Gemengeanbau eine überdurchschnittliche Leistung zeigen. Gleichzeitig ist das Verständnis von Ressourcennutzung (Wasser, Licht und Nährstoffe) unerlässlich, um die Leistung des Gemengeanbausystems hinsichtlich verbesserter Wassernutzungseffizienz zu interpretieren. Außerdem ist es wichtig, einen detaillierteren Blick auf physiologische Reaktionen der Pflanzen unter Trockenstress zu werfen. In diesem Zusammenhang werden daher die Einflussfaktoren von Mischbeständen auf die Wassernutzungseffizienz des Bestandes und die Trockenstresstoleranz untersucht.

 

Fernerkundung als nützliches Werkzeug

In diesem Kontext werden Mischungen von Winterackerbohne mit Winterweizen sowie Weißklee mit Deutschem Weidelgras und Zichorie gegenüber den jeweiligen Reinbeständen in Feldversuchen verglichen. Für drohnenbasiertes Monitoring dieser verschiedenen Bestände in Acker und Grasland wurden neuartige Fernerkundungsmethoden etabliert. Zur Erfassung wichtiger Bestandescharakteristika wurde ein Quadrokopter (EagleLive Raptor, EagleLive Systems, Deutschland) mit einer Multispektralkamera (ADC Micro, Tetracam Inc., Kalifornien) ausgerüstet, die mit einer hohen Auflösung im sichtbaren und nahinfraroten Licht Eigenschaften der Bestände sichtbar machen kann. Die aufgenommenen Daten ermöglichen eine Evaluierung mithilfe des Normalisierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI), der Informationen über Biomasseproduktion und Photosyntheseaktivität der verschiedenen Bestände im Feld innerhalb eines kurzen Zeitrahmens erlaubt. Parallel dazu liefert eine Thermokamera (PI 400, optris, Deutschland) Informationen über die Oberflächentemperatur der Bestände, um deren Wassernutzung abzuschätzen. Die Untersuchung der Bestände während der gesamten Vegetationsperiode beschäftigt sich auch mit der Identifizierung von Schlüsselindikatoren für Toleranz gegenüber Trockenperioden. Daher wurden zwei Ansätze verwendet, um den Parameter Wassernutzungseffizienz (WUE) der jeweiligen Pflanzenbestände innerhalb eines zweijährigen Feldversuchs zu untersuchen. Eine Analyse stabiler Isotope (13C) in Pflanzengeweben wurde verwendet, um die intrinsische WUE in kritischen Phasen der Vegetationsperiode zu bestimmen. Außerdem wurden der Netto-CO2 Austausch und die Evapotranspiration erfasst, indem der Gaswechsel der Pflanzenbestände mit einer mobilen und transparenten Kammer direkt gemessen wurde (GFS 3000, Heinz Walz GmbH, Deutschland).

 

Wasserdefizit im Gewächshaus

Genotyp-spezifische physiologische Eigenschaften der Stressadaption und der Toleranz verschiedener Winterackerbohnengenotypen gegenüber temporärem Wasserdefizit wurden innerhalb detaillierter Experimente unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus untersucht. Unterschiedliche Genotypen der Winterackerbohne (Vicia faba L.) wurden angezogen und Trockenstress ausgesetzt. In einem ersten Set von Versuchen (Exp1) wurden die Pflanzen in Nährlösung angezogen, wobei das Wasserdefizit durch die Zugabe von PEG 6000 induziert wurde. In einem zweiten Set von Versuchen (Exp2) wurde die Leistung von zwei dieser Genotypen (dem tolerantesten und dem anfälligsten) in Reinsaaten sowie in Gemengen mit Winterweizen getestet. Dabei wurden die Pflanzen in Bodensubstrat angezogen und Trockenstress wurde durch defizitäre Bewässerung ausgelöst.

 

Pflanzenarchitektur von Winterweizen und Weidelgras beeinflusst Korrelation mit NDVI

Erste vielversprechende Ergebnisse zu den Feldversuchen wurden im Jahr 2015 erhalten. In dieser Vegetationsperiode wurde mittels Gaswechselmessungen im Grasland gezeigt, dass Weißklee die höchste Netto-Photosyntheseleistung und damit die höchste Effizienz in der Wassernutzung aufwies, während das Gemenge aus Weißklee und Weidelgras eine geringere Wassernutzungseffizienz zeigte. Dagegen waren bei den verschiedenen Ackerfrüchten ähnliche Wassernutzungseffizienzen zu beobachten, wobei nur gegen Ende der Vegetationsperiode eine Tendenz zu höherer Netto-Photosynthese und somit Wassernutzungseffizienz im Gemenge von Winterackerbohne und Winterweizen zu erkennen war.

Basierend auf den spektralen Messungen der Pflanzenbestände mittels Quadrokopter wurde die Entwicklung der Vegetation visualisiert. In den Ackerfrüchten reflektierten die NDVI-Bilder während des Sommers 2015 geringere Werte und daher geringere Bestandesdichten in Winterweizen, während die Winterackerbohnen und die Gemenge signifikant höhere Werte und spätere Abreife zeigten. Entsprechend kann die Hypothese bestätigt werden, dass Spektralindizes von Gemenge im Acker deutlich höher sind, verglichen mit dem berechneten theoretischen Mittelwert beider Reinsaaten. Eine Korrelation von NDVI und Kornertrag der Winterackerbohnen war allerdings aufgrund eines höheren Blattflächenindex begrenzt: jenseits eines bestimmten NDVI-Wertes nahe 1 kann die Technologie Unterschiede zwischen Beständen mit sehr hoher Biomasse nicht mehr erkennen. Jedoch geben NDVI-Werte von Winterweizen aufgrund einer allgemein niedrigeren Blattdichte gegenüber Ackerbohne den Kornertrag am besten wieder. Für 2016 ist ein größeres Set an Daten verfügbar, um die Index-Entwicklung für die ganze Vegetationsperiode von Frühling und Sommer zu untersuchen, was eine kontinuierliche Kurve von der vollständigen Bodenbedeckung im April bis zur Abreife im Juli zeigt.

Auch im Grasland hatten Gemenge von Weißklee und Weidelgras größere NDVI-Werte als der berechnete theoretische Mittelwert der Reinsaaten. Dennoch wurden die höchsten NDVI-Werte nach einer Düngung von 240 kg N/ha auf Weidelgras erreicht. Allgemein scheint die Verfügbarkeit von Stickstoff einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der spektralen Reflexion der Pflanzendecke zu haben. Jedoch spielt die Pflanzenarchitektur eine weitere entscheidende Rolle bei den Reflexionsmustern. Weißklee hat ebenso wie Winterackerbohne horizontal orientierte Blätter, die den Korrelationseffekt von NDVI mit Trockenmasse reduzieren. Genauso hat Weidelgras, ebenso wie Winterweizen, erektophile Blätter, die eine stärkere Korrelation zwischen NDVI und Trockenmasseertrag von gedüngten und nichtgedüngten Behandlungen erlauben.

 

Mischungen verschiedener Arten fördern die Biomasseproduktion

Im Gewächshausversuch Exp1 (durchgeführt unter kontrollierten Bedingungen in Nährlösung) konnte gezeigt werden, dass Wasserdefizit zu eingeschränkten Produktionsraten führt, die in geringerer Biomasse und Blattfläche resultieren. Die Genotypen mit höchster und geringster Biomasseproduktion wurden anschließend auf ihre Leistung im Gemenge getestet (Exp2). Dabei zeigte einer der Genotypen eine höhere Biomasseproduktion im Gemenge als in Reinsaat. Unter defizitärer Bewässerung war die Biomasse in allen Behandlungen reduziert und zeigte keine Unterschiede zwischen Gemenge und Reinsaaten. Eine detailliertere Analyse von Merkmalen im Zusammenhang mit Trockenstresstoleranz (z.B. Physiologie von Blatt- und Bestandesgaswechsel, Wassernutzungseffizienz, oxidativer Stress) wird zurzeit durchgeführt.

 

 

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IAPN-Mitarbeiter