Bedeutung des Wassers für Nährstoffhaushalt und Pflanzenentwicklung

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1 Dr. Sabine Seidel, Professur Pflanzenbau, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz, Uni Bonn Bedeutung des Wassers für Nährstoffhaushalt und Pflanzenentwicklung

2 Übersicht 1 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum 2 Die Bedeutung des Bodens als Wasserspeicher 3 Trocken- und Hitzestress bei Pflanzen 4 Zusammenhang zwischen Wasser, Nährstoffen und Ertrag 5 Messung von Bodenfeuchte und Trockenstress 2 / 20

3 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum Der zu den immergrünen Nadelbäumen gehörende Küstenmammutbaum "Hyperion"ragt 116 m in die Höhe. Sein Stammdurchmesser beträgt 4,8 m. Warum ist das Höhenwachstum von Pflanzen beschränkt? 3 / 20

4 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum Abbildung 1: Bildung von Dampfblasen in den Gefäßen des Wassertransports (Kavitation). Das Wasser wird aufgrund der Transpiration gleichsam in Form von "Wassersäulen" durch die Gefäße der Leitbündel nach oben gezogen Die Energiequelle für den passiven Transpirationssog ist die Sonne Der Wasserstrom kommt nur zustande, wenn die Wassersäulen in den Gefäßen nicht reißen Bäume können maximal 130 m groß werden 4 / 20

5 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum Abbildung 2: Wassertransport in der Pflanze. Das Wasserpotential charakterisiert die Verfügbarkeit von Wasser in einem System (z. B. Pflanzengewebe, Boden) Gradienten des Wasserpotentials treiben den Wassertransport an Das Wasser fliesst vom Ort mit dem höheren zum Ort mit dem niedrigeren Potential Der Wasserfluss wird durch die Blattspaltöffnungen kontrolliert 5 / 20

6 Die Bedeutung des Bodens als Wasserspeicher Aufgrund des Porenraums kann der Boden das Wasser in seinen Poren speichern und leiten (Wasserbindung) Anziehungskräfte gehen von der Oberfläche der Feinbestandteile des Bodens (Tonminerale!) aus, die das Bodenwasser binden Die Wasserbindung ist von verschiedenen Faktoren abhängig (Bodenart, Bodengefüge...) 6 / 20

7 Feldkapazität, permanenter Welkepunkt und pf Kurve Den Wassergehalt, den ein Boden nach zwei Tagen noch gegen die Schwerkraft hält nennt man Feldkapazität (FK) 1 Trocknet ein Boden bis zum permanenten Welkepunkt (PWP) aus (Totwasser), wird das Wasser so stark gebunden, dass Pflanzen irreversibel welken Unter nutzbarer Feldkapazität (nfk) versteht man die Differenz aus FK und PWP (pflanzenverfügbares Wasser) Wasserspannungskurve (pf Kurve): Beziehung zwischen Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ 7 / 20

8 Pflanzenverfügbares Wasser verschiedener Böden Abbildung 3: Pflanzenverfügbares Wasser verschiedener Böden. 8 / 20

9 Wasserspannungskurven (pf Kurven) nfk Abbildung 4: Beziehung zwischen Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ für 3 Böden. 9 / 20

10 Trockenstress bei Pflanzen Zur Vermeidung von Trockenstress verfügt die Pflanze über Anpassungsmechanismen: Verstärktes Wurzelwachstum und verbesserte Wasseraufnahme Reduziertes Wachstum der oberirdischen Biomasse (Ertrag!) Anpassung des Entwicklungszyklus (z.b. kürzere Vegetationsdauer) Verringerte Transpiration über die Blätter Speichern und Remobilisierung von Reservekohlenhydraten 10 / 20

11 Trockenstress und Pflanzenentwicklung Getreide ist besonders empfindlich von kurz vor Blüte bis Milchreife Mais: Fahnenschieben bis zur sichtbaren Bildung von Körnern Abbildung 5: Wasserbedarf in Abhängigkeit von der Pflanzenentwicklung bei Mais. 11 / 20

12 Hitzestress bei Pflanzen Alle biochemischen Prozesse sind temperaturabhängig Positive Beziehung von Temperatur und Photosynthese Hitzestress beeinflusst u.a. Wachstum und Ernteindex Anpassung des Entwicklungszyklus (schnelle Abreife) Die generative Entwicklungsphase ist empfindlicher (Blüte!) Weizen: geringerer Ertrag, Kornzahl und Qualität (31 C) Kartoffel: starke Ansatzreduktion bei Hitze ab dem Knollenansatzstadium (Dammbodentemperatur >27 C) 12 / 20

13 Risiko minimieren bei Trocken- und Hitzestress Bewässerung (Wassergabe und Kühlung) Wasserhaltekapazität des Bodens erhalten/erhöhen Das Risiko kann über die Sortenwahl gemindert werden (Entwicklungsdauer, Stressresistenz, Wurzelsystem) Blühzeitraum staffeln (frühere Sorten zeitig säen und die späteren Saattermine mit mittelspäten Sorten belegen um Blütezeitraum entzerren) 13 / 20

14 Wasser- und Nährstofftransport in der Pflanze Photosynthese: Wasser & CO 2 Licht = Kohlenhydrate & O 2 Der Transport von Wasser und anorganischen Salzen im Xylem ist ein passiver Prozess (Transpirationssog) Das Phloem transportiert aktiv Kohlenhydrate aus der Photosynthese zu den Wurzeln und Ertragsorganen Abbildung 6: Links: Gefäßquerschnitt, rechts: Wasser- und Stofftransport. 14 / 20

15 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum Boden Trocken-/Hitzestress Nährstoffe Messungen Zusammenhang zwischen Wasser, Nährstoffen und Ertrag Höchster Ertrag bei optimaler Versorgung Zu hohe Wassergaben führen zur Auswaschung von Nitrat Kalium und Magnesium helfen bei Trockenstress Durchwurzelung (optimal versorgt flache Wurzeln) Abbildung 7: Zusammenhang von Winterweizenertrag, appliziertem N und Wasser. 15 / 20

16 Messung von Trockenstress und Bodenfeuchte Abbildung 8: Oben: Steck- Tensiometer Blumat digital über Unten: Watermark Sensor, Irrometer über Trockenstressmessung nicht empfehlenswert Messung von Wasserpotential Tensiometer: Messbereich < pf 2.9, Einbau schräg, Schaft vor Sonne schützen Elektrische Leitfähigkeit (z.b. Watermark, wartungsfrei und frostsicher aber träge, Messbereich < pf 3.3) Messung von Wassergehalt Kapazitive Messmethoden (Mikrowellen- Impulse), z.b. TDR Sonden ggf. Messfehler bei hohen Tongehalten Einbau im gut durchwurzelten Raum Ablesen vs. Funk und Loggen (Arduino MC) Korrosion, Befahrbarkeit (Einbau), Wartung 16 / 20

17 Beispiele für Bodensaugspannungsmessungen rainfall and irrigation [mm] Ψ 30cm Ψ 60cm Ψ 90cm hours after sowing soil tension Ψ [hpa] rainfall and irrigation [mm] Ψ 30cm Ψ 60cm Ψ 90cm soil tension Ψ [hpa] hours after sowing 0 Abbildung 9: Gemessene Saugspannung unter Feldbohne und Weißkohl. T4e Tensiometer von UMS/Meter München, Daten loggen mit Arduino Mikrocontroller. 17 / 20

18 Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum - Zusammenfassung Passiver Transport von Wasser und Salzen (Transpirationssog) Bodensaugspannung über Boden-Pflanze-Atmosphäre- Kontinuum direkt mit Pflanzentrockenstress verknüpfbar Wasserpotential messen (Messbereich!) oder pf Kurve kennen Zielwasserpotential in empfindlicher Phase: etwa 300 hpa (FK) Einbau im stark durchwurzelten Bereich (etwa 30 cm Tiefe) Beregung: Verdunstung (Hitze!) und Infektionsdruck steigen Sortenwahl (Entwicklungsdauer, Stressresistenz, Wurzelsystem) 18 / 20

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sabine Seidel 19 / 20