Forschungsthema

Fernerkundung von Nährstoffversorgungszuständen

Die Anwendung von Fernerkundung hat insbesondere in der Landwirtschaft in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dabei werden der Zustand oder auch Veränderungen in den optischen Eigenschaften von Blättern erfasst. Die optischen Eigenschaften beruhen auf Wechselwirkungen zwischen Licht und den verschiedenen Komponenten in Pflanzengeweben, zum Beispiel Pigmenten, Wasser, Cellulose, Proteinen.

Feldversuch des IAPN, in dem der Pflanzenbestand mittels Fernerkundung kontinuierlich beobachtet wird. (Foto: Hanebut) Feldversuch des IAPN, in dem der Pflanzenbestand mittels Fernerkundung kontinuierlich beobachtet wird. (Foto: Hanebut)

Ein Teil des einfallenden Lichtspektrums wird vom Blattgewebe absorbiert, während das restliche Spektrum reflektiert wird. Durch die Erfassung und Quantifizierung der absorbierten und reflektierten Wellenlängen, ist es möglich, verschiedene physiologische und anatomische Parameter zu beurteilen. Dadurch können die Entwicklung der Pflanzen und deren Reaktionen auf Nährstoffmangel, Krankheiten, Trockenheits- und Wasserstress oder Umweltveränderungen bewertet werden.

 

Zu diesem Zweck wird die Methodik der Fernerkundung durch beispielsweise Feldspektrometrie und der Analyse von Satellitenbildern eingesetzt und mit der parallelen Datenerfassung durch Feldproben verglichen. Abgesehen von ihrem nicht-invasiven Aspekt, der in vivo-Beobachtungen von Pflanzen ermöglicht, ist diese Methodik besonders nützlich, da sie eine kontinuierliche Überwachung der Pflanzenentwicklung mit der Zeit mit hoher räumlicher Auflösung ermöglicht. Daher ist es möglich, den gesamten Lebenszyklus von Pflanzen vollständig zu verfolgen.

Spektrale Phänotypisierung von Weizenpflanzen mit einem Smartphone. (Foto: Rethmeyer) Spektrale Phänotypisierung von Weizenpflanzen mit einem Smartphone. (Foto: Rethmeyer)

Die Früherkennung von Nährstoffmängeln ist einer der Forschungsschwerpunkte am IAPN. Vor allem wird der Rolle von Magnesium (Mg) in pflanzenphysiologischen Prozessen besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

 

Als einer der essentiellen Makronährstoffe von Pflanzen ist Mg an etlichen physiologischen Prozessen beteiligt: Es ist ein Cofaktor vieler Enzyme, die an der Respiration, dem Membrantransport, der Photosynthese und der Synthese von DNA und RNA beteiligt sind, ein struktureller Stabilisator mehrerer Nukleotide und ein Teil der Ringstruktur des Chlorophyllmoleküls. Sein Mangel in Nutzpflanzen kann die Bildung von Pflanzenbiomasse und Ertrag stark beeinträchtigen. Unter Mg-Mangel bleibt das Chlorophyll in den Leitbündeln aufgrund der Beweglichkeit von Mg im Phloem und seines Recyclings aus dem Chlorophyllabbau länger unberührt als das Chlorophyll in den Zellen zwischen den Bündeln. Diese Situation verursacht das typische Muster der Chlorose zwischen den Blattadern, das zuerst bei älteren Blättern auftritt und schließlich zu Seneszenz und vorzeitiger Abszission führen kann.

Winterweizen auf dem Feld. (Foto: Tränkner) Winterweizen auf dem Feld. (Foto: Tränkner)

Ähnlich wie bei anderen Nährstoffmängeln sind das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung jedoch bereits stark beeinträchtigt, wenn Pflanzen sichtbare Symptome zeigen oder noch bevor sie auftreten, wodurch der Ertrag erheblich verringert wird. Daher ist der präsymptomatische und nicht-invasive Nachweis von Mg-Mangel in Pflanzen zum Beispiel durch Fernerkundung entscheidend für die Pflanzenüberwachung und zur Stressminderung in frühen Stadien der Pflanzenentwicklung, wodurch irreversible Schäden vermieden und Ertragsverluste erheblich gemindert werden.

 

 

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