Verminderung von Stickstoff-Bilanzüberschüssen in der Landwirtschaft durch Einsatz Stickstoff-effizienter Sorten Beitrag der Pflanzenzüchtung

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1 Verminderung von Stickstoff-Bilanzüberschüssen in der Landwirtschaft durch Einsatz Stickstoff-effizienter Sorten Beitrag der Pflanzenzüchtung Walter J. Horst und Gunda Schulte auf m Erley T. Behrens, M. Kamh, A. Ulas, F. Wiesler, M. Worku Institut für Pflanzenernährung, Universität Hannover, Herrenhäuser Straße 2, D Hannover

2 N-effiziente Genotypen Extensivierung Pflanzenbauliche Maßnahmen Verringerung von Bilanzüberschüssen Düngetechnik genaue Ermittlung des N-Düngebedarfs Düngerform

3 Definition genotypische Stickstoff-Effizienz Stickstoffeffizienz ist die Fähigkeit eines Genotypen, bei begrenztem N- Angebot einen Ertrag (Korn, Frischmasse, Zucker, Protein) zu erzielen, der das Mittel der Population übersteigt. Häufigkeit begrenztes N-Angebot optimales N-Angebot für N-effiziente Genotypen unbegrenztes N-Angebot Genotypen mit hoher N-Effizienz Genotypen mit hoher Ertragskapazität Genotypen mit hoher Ertragskapazität und hoher N-Effizienz Mittel der "Standard"populationen Ertrag

4 Kulturartspezifische N-Bilanz ausgeglichen Getreide, Zuckerrübe unausgeglichen Feldgemüse, Raps, Silomais N-Düngung N-Abfuhr N-Düngung N-Abfuhr N-Ernterückstände N-Nachlieferung N-Ernterückstände N-Nachlieferung N min -Rest N min N min -Rest N min N-Auswaschung Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse bei gleichen Erträgen: erhöhte Nutzung des N-Angebotes (N-Aufnahmeeffizienz) erhöhter N-Ernteindex (N-Nutzungseffizienz) verminderte N-Düngung (N-Nutzungs- und -Aufnahmeeffizienz)

5 Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse: erhöhte Nutzung des N-Angebotes (N-Aufnahmeeffizienz) N-Düngung N-Abfuhr bei erhöhtem Ertrag erhöhte N-Aufnahme N-Nachlieferung N-Ernterückstände ausgeglichene Bilanz N min N min -Rest N-Auswaschung

6 Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse: erhöhter N-Harvestindex (N-Nutzungseffizienz) N-Düngung erhöhte N-Abfuhr bei gleichem Ertrag N-Nachlieferung N-Ernterückstände ausgeglichene Bilanz N min N min -Rest N-Auswaschung

7 Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse: verminderte N-Düngung (N-Nutzungs- und -Aufnahmeeffizienz) reduzierte N-Düngung N-Abfuhr bei gleichem Ertrag N min N-Nachlieferung N-Ernterückstände N min -Rest negative Bilanz N-Auswaschung

8 Mais Zea mays

9 Genotypische Unterschiede in der Stickstoff- Effizienz von Europäischem Mais. Bedeutung der Aufnahmeeffizienz. Presterl et al., 2002 (Presterl et al., 2002)

10 CIMMYT

11 Blattseneszenz nach der Blüte ist mit dem Kornertrag von Mais- Genotypen bei ertragsbegrenzendem N-Angebot korreliert. Feldversuch Zimbabwe. Worku et al., 2005 Leaf senescence score R 2 = 0.48*** C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 Mean grain yield (t/ha)

12

13 Chlorophyllverlust alter Blätter induziert durch Stickstoffmangel. Genotypische Unterschiede bei Mais in stay green Nährlösungsversuch SPAD loss ns ** ** * * ns * A C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16

14 Leaf-5 Leaf-5

15 Die Wurzellängendichte in tieferen Bodenschichten zur weiblichen Blüte von 10 Mais-Hybriden ist mit der Nitratverarmung dieser Bodenschichten korreliert. Wiesler and Horst, 1994 Soil nitrate-n depletion June - October [kg N ha -1 ] cm r = 0.84** 0-30 cm r = cm r = 0.84** cm cm 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 Root-length density [cm cm -3 ]

16 Niedrige Nitrat-N Reste im Boden nach der Ernte von 10 Mais-Hybriden führen zu geringerer Nitrat-N Auswaschung in der vegetationsfreien Zeit. Wiesler and Horst, Nitrat-N Auswaschung [kg ha Boden Rest-Nitratgehalt [kg ha -1 ]

17 Schlußfolgerungen Mais: Genotypische Unterschiede in der Stickstoff-Effizienz bestehen Für Stickstoff-Effizienz ist eine verzögerte Seneszenz ( stay green ) bedeutend. Eine dadurch verlängerte Wurzelaktivität besonders im Unterboden ermöglicht eine bessere Nutzung des N-Angebotes des Bodens verminderter N min -Rest / verringerte N- Auswaschung.

18 Raps

19 Genotypische Unterschiede in der N-Effizienz bei Raps. Möllers et al., 2000

20 Kornertrag und N-Aufnahme von 2 unterschiedlich N-effizienten Rapssorten. nach Behrens et al N fertilization [kg ha -1 ] Apex Capitol Apex Capitol Seed yield [t ha -1 ] 3.4 a 2.6 b 5.0 a 4.9 a N uptake [kg ha -1 ] - Maturity 93 a 68 b 198 a 191 a - Flowering - maturity 33 a - 15 b - 7 a 19 a

21 Die N-effiziente Sorte Apex hat bei N0 höhere Lichtinterzeption nach der Blüte Intercepted radiation in global radiation [%] Intercepted radiation in global radiation [%] Beginning of shooting Beginning of shooting Beginning of flowering Beginning of flowering Apex N0 End of flowering Apex N2 End of flowering Capitol Capitol A Maturity B Maturity Ulas und Wiesler, 2001

22 Die N-effiziente Sorte Apex hat zum Blühende bei N0 höhere Blatt- Chlorophyll-Gehalte und daher eine höhere Assimilationsleistung. Ulas und Wiesler, CO 2 -assimilation rate [µmol m -2 s -1 ] kg N/ha 222 kg N/ha 16 r = 0.74*** r = 0.94*** Capitol (N-inefficient) Apex (N-efficient) r = 0.73*** r = 0.65*** Leaf chlorophyll [SPAD meter reading]

23 Illustration der Kompartiment-Methode zur Messung von Wurzelwachstums- und N-Aufnahmekapazität von Pflanzenbeständen im Feld zum Blühzeitpunkt. Kamh et al., 2005 Anion exchange resin Sand filter

24 Wurzelwachstum und Nitratverarmung von 2 Rapssorten in den Kompartimenten zum Zeitpunkt der Büte. Kamh et al., 2005 Apex Capitol

25 Schlußfolgerungen Raps: Genotypische Unterschiede in der Stickstoff-Effizienz bestehen Zur N-Effizienz tragen bei: Hohe Aufnahmekapazität besonders in der reproduktiven Wachstumsphase Aufrechterhaltung einer grünen Blattfläche in der reproduktiven Phase Hohe photosynthetische Aktivität der Pflanze in dieser Phase Höhere Wurzelaktivität besonders im Unterboden

26 Feldgemüse

27 Ertrag, Qualität und N min -Rest nach der Ernte bei 3 Blumenkohl-Hybriden bei begrenztem (N0) und hohem N-Angebot (N250) Rather et al., 2000 % Class A quality N min Rest 0 60 cm N0 N0 N250 Ma Ld Lf Ma Ld Lf Marine Lindurian Linford

28 Sortenunterschiede im Ertrag von Weißkohl bei begrenztem (N1) und unbegrenztem N-Angebot (N2) Kopf-Frischgewicht (kg Pflanze -1 ) % 71% 70% 75% 79% 75% 74% 81% N1 N2 0 Parel ToughmaCastello Perfecta Lennox Bartolo Bloktor Novator Sorten

29 Verteilung von Stickstoff zwischen Kopf und Ernterückständen (N Harvestindex) bei Weißkohlsorten bei begrenztem (N1) und unbegrenztem N-Angebot (N2) 0,8 N1 N2 0,6 N Harvestindex 0,4 0,2 0,0 Parel ToughmaCastello Perfecta Lennox Bartolo Bloktor Novator Sorten

30 Stickstoff-effizienter Ideotyp modifiziert nach Wiesler Traditioneller Typ N-effizienter Ideotyp Reduzierter N-Düngerbedarf Reduzierter N-Bilanzüberschuß Hohe N-Aufnahme bis zur Blüte Geringe Aufnahme nach der Blüte Unvollständige N-Verlagerung in das Ernteprodukt Hoher Düngerbedarf Hohe Bilanzüberschüsse Hohe N-Aufnahme bis zur Blüte Hohe N-Aufnahme nach der Blüte Verzögerte N-Verlagerung in das Ernteprodukt verlängerte Assimilation der Blätter ( stay green, hohe Wurzelaktivität im Unterboden Anschließend effektive N-Verlagerung in das Ernteprodukt (hoher N-Harvestindex) I

31 Can less yield more? Is reducing nutrient input into the environment compatible with maintaining crop production? Allen G. Good, Ashok K. Shrawat, Douglas G. Muench Trends in Plant Sciences 9, 587 (2004) We believe that creating crops with enhanced nutrient uptake will be one component that will help us to achieve this goal

32 Co-Lokalisation von QTLs für physiologische Merkmale mit agronomischen Merkmalen und bekannten Genen in einer Population von 99 rekombinanten Inzuchtlinien. Gallais und Hirel, 2004

33 Thanks to: Gunda Schulte auf m Erley Franz Wiesler Torsten Behrens Mosisa Worku Mahmoud Kamh Abdullah Ulas