Methodenvergleich: Ermittlung von Richtwerte für die Pflanzenanalyse zur Beurteilung des Ernährungszustandes von Kulturpflanzen

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1 VDLUFA 2014 Methodenvergleich: Ermittlung von Richtwerte für die Pflanzenanalyse zur Beurteilung des Ernährungszustandes von Kulturpflanzen Susanne Klages. Ewald Schnug Interpretation von Daten der Pflanzenanalyse, Dr. rer. nat Susanne Klages

2 Gliederung 1. Einleitung, Grundsätzliches + Historie 2. Methodenüberblick 3. Datengrundlage 4. Ermittlung von Grenzlinien-Funktionen und Zielwerten 5. Evaluierung von Nährstoffmängeln durch die Systeme Professional Interpretation Program for Plant Analysis (PIPPA) Diagnosis and Recommendation Integrated System (DRIS) Compositional Nutrient Diagnosis (CND) 6. Fazit und Ausblick

3 Einleitung Die Pflanzenanalyse wird in Deutschland in letzter Zeit vermehrt angeboten: Die Multielementanalyse ermöglicht eine schnelle Probenverarbeitung und damit eine Diagnose von aktuell auftretenden Nährstoffmängeln. Die aufgrund der Analyseergebnisse quantifizierbare Kopfdüngung ist ein weiterer Schritt in Richtung verlustarme, pflanzenbedarfsgerechte und umweltschonende Düngung.

4 Grundsätzliches Bei der Pflanzenanalyse werden Pflanzenmaterial-Proben zu festgelegten Wachstumsstadien genommen. Die Analysewerte (für Haupt- und Spurenelemente) werden mit Zielwerten verglichen. Negative Abweichungen des Ist- vom Zielwert (=Critical Value) belegen den Düngebedarf.

5 Historie Sprengel (1828)/Liebig (1855): Gesetz vom Minimum Mitscherlich (1909): Gesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs Macey (1936): erstmalige Definition von kritischen Prozentsätzen, über denen Luxuskonsum und unter denen Nährstoffmangel in der Pflanze herrscht; für Nährstoffe und andere Wachstumsfaktoren existiert ein Optimum Webb (1972): Boundary Line Approach (BOLIDES; Boundary Line=Hüllkurve) Beaufils (1973): Diagnosis and Recommendation Integrated System (DRIS) Bergmann/Neubert (1976): Pflanzendiagnose und Pflanzenanalyse

6 Zusammenhang vom Nährstoffkonzentration im Pflanzengewebe und dem Ertrag Abb. 1a: Wachstum in Abhängigkeit von der Konzentration an Nährelementen in Pflanzen (Finck, 2007) A/B: Symptom-Grenzwert B/C: Ertrags-Grenzwert = Critical Value D/E: Toxizitätsgrenzwert Abb. 1b: Reaktionskurve für Zn, abgeleitet von Versuchen mit Baumwolle (Gossypium hirsutum), (Ohki, 1975).

7 Zielwertermittlung im Rahmen von.. speziellen Feldversuchen: Zielwerte werden aus den Analysewerten (Pflanzenanalysen) der s. g. Normpopulation (z. B. Volldüngervariante) abgeleitet on-farm research: Definition einer Hüllkurve (=Boundary Line; Zielwert=Maximum) on-farm research: Mittelwert aus den Analysen der hochertragreichen Teilpopulation (verschiedene Methoden zur Abtrennung dieser Hochertragspopulation) Vergleichswerte aus der Fachliteratur

8 Evaluierung individueller Analysedaten in Bezug auf Zielwerte nach folgenden Methoden: direkter Vergleich von Zielwerten und Analysewerten (gängige Methode in Deutschland) Berechnung von Indices: Vergleich der Ertragserwartung für eine gemessenen Nährstoffkonzentration mit dem Maximalertrag aufgrund einer zuvor berechneten Gleichung einer Hüllkurve: Professional Interpretation Program for Plant Analysis, PIPPA (Schnug, 1990) Vergleich der Nährstoffverhältnisse und der Varianzen in der zu untersuchenden sowie einer Hochertragspopulation: Diagnosis and Recommendation Integrated System, DRIS (Beaufils, 1973, Walworth and Sumner, 1987) Vergleich der Nährstoffverhältnisse in der zu untersuchenden Population untereinander und im Vergleich zu den Zielwerten der Hochertragspopulation: Compositional Nutrient Diagnosis, CND (Parent and Dafir, 1992)

9 Interpretationsansatz der unterschiedlichen Bewertungssysteme y max y b y a y max y b y a x a x b x max BOLIDES/PIPPA x a x b x max Abb. 2: Zusammenhang zwischen Nährstoffkonzentration und Ertrag bei BOLIDES/PIPPA im Vergleich DRIS und CND DRIS, CND

10 Datengrundlage Kleinbäuerlicher Anbau von agyptischer Mako- Baumwolle (Gossypium barbadense) 2 Ökostandards 3 Sorten (GIZA 86, GIZA 85, GIZA 90) 3 Jahre ( ) 7 Standorte Beheira O+W (blau) Sharqia O+W (rot) Dakahlia/Damietta (grün), Qalyubia (orange) Faiyum (gelb) 207 Pflanzen- und Bodenproben (Sammelproben) Ertrag Abb. 3: Probenahmeorte von Blatt- und Bodenproben von mit Ökobaumwolle bestellten Feldern in Ägypten in

11 Datengrundlage Untersuchte Parameter bei der Blattanalysen N, C (%) P, K, Ca, Mg, S (g/kg) B, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, Na, Al (mg/kg) Abb. 4: Probenahme von Blatt- und Bodenproben 2010 Verrechnung: Statistical Package for Social Science (SPSS, 2010) Berechnung der Grenzlinienfunktionen: Mathematica, 2010

12 Datengrundlage Baumwollertrag Durchschnittsertrag, Samen und Fasern (kg/ha): China: 4,210 Ägypten: 3,473 (±481) USA 2,830 Indien: 1,020 Sorten: GIZA 86>GIZA 85=GIZA 90 Jahr: 2008>2009=2010 Abb. 5: Boxplot der Gesamterntemenge ägyptischer Ökobaumwolle in 7 verschiedenen Anbauregionen in

13 BOLIDES: Ermittlung von Grenzlinien- Funktionen und Zielwerten Umsetzung des Ansatzes von Heym and Schnug (1995) mittels Mathematica: 1. Schritt: Ausreißer-Eliminierung Rechteck- bzw. Kreiskriterium Definition von Gruppen von nächsten Nachbarn, Ermittlung von deren Abstand zum Zentrum der Punktwolke Abb. 6: Streudiagramm von P-Konzentrationen in Baumwollblättern/Relativertrag (Ausreißer: magenta)

14 BOLIDES: Ermittlung von Grenzlinien- Funktionen und Zielwerten Abb. 7: Linke, obere und rechte Grenzlinie für das Verhältnis von P-Konzentration in Baumwollblättern/Relativertrag (2. Schritt: Klassifizierung) 3. Schritt: Konstruktion der Stufenfunktion Stufenfunktion als Näherung zur Hüllkurve Gruppierung der Datenpaare, Anhebung der y-werte auf größten y-wert der Gruppe Seitliche Stufenfunktionen Vertauschen der x- und y- Koordinaten, Konstruktion der oberen und unteren Stufenfunktion, Rücktausch

15 BOLIDES: Ermittlung von Grenzlinien- Funktionen und Zielwerten 4. Schritt: Anpassung der oberen Hüllkurve: y= x x 2 Abb. 8: Polynom 2. Ordnung und zugehörige Stufenfunktionen (graue Punkte, rechts) sowie ursprüngliches Streudiagramm (Ausreißer magenta, links)

16 BOLIDES: Ermittlung von Grenzlinien- Funktionen und Zielwerten 5. Schritt: Ablesen von Zielwerten (Critical Values), Bereiche ausreichender Versorgung und Definitionsbereiche für Nährstoffkonzentrationen in Pflanzenproben ägyptischer Ökobaumwolle, Probenahme Tab. 2:

17 Ertrags-Grenzwerte für Baumwolle Tab. 2: Zielwerte für äyptische Ökobaumwolle (Gossypium barbadense), ermittelt mittels BOLIDES und DRIS im Vergleich zu Literaturdaten für Gossypium hirsutum

18 Zielwerte: Unterschiede zwischen den Jahren a) nicht vorhanden: N, P, S, K, Ca, Mn, Zn, B b) vorhanden: Mg, Cu, Mo, [C] Abb. 10: Streudiagramme und Grenzlinien für Pflanzenproben von Gossypium barbadense, differenziert nach Probenahmejahr für die Nährstoffe (a) P und (b) Cu 2008=schwarze Linie, rote Punkte, 2009=blaue Punkte, dunkelrote Linie, 2010=grüne Punkte, lila Linie

19 Zielwerte: Regionale Unterschiede a) Beheira = Sharqia b) Beheira > Sharqia gleiche Werte für Beheira (hoher Ertrag) und Sharqia (niedriger Ertrag); höhere Kritische Nährstoffgehalte in Beheira (hoher Ertrag) als in Sharqia (niedriger Ertrag); S, K, Ca, Cu, Mo Sharqia: Bedarf N, Mg, Mn, Zn, B Sharqia: kein Bedarf Abb. 11: Streudiagramme und Grenzlinien für Pflanzenproben von Gossypium barbadense, differenziert nach Region der Probenahme für die Nährstoffe (a) N und (b) Ca Beheira= schwarze Punkte, rote Linie, Sharqia=blaue Punkte, dunkelrote Linie

20 Nährstoffstatus von Gossypium barbadense verschiedener Regionen Tab. 3: Nährstoffstatus ägyptischer Ökobaumwolle aus verschiedenen Regionen, ermittelt mittels PIPPA (x)=geringer, x=moderater, X=starker Mangel, X=sehr starker Mangel

21 Methodenvergleich: Mittelwert aus 207 Proben

22 Methodenvergleich: Mittelwert Beheira-W, kg/ha durchschnittl. Ertrag

23 Methodenvergleich: Mittelwert Faiyum, 3118,88 kg/ha durchschnittl. Ertrag % TM g/kg TM mg/kg TM Eingabe N P S K Ca Mg Fe Mn Zn Cu B Mo Durchschnitt Faiyum 4,00 2,32 10,34 31,87 27,22 5, ,3 29,7 10,9 73,7 2,0

24 Ergebnisse Methodenvergleich gute Übereinstimmung der Diagnosen durch die Systeme (insbes. DRIS und CND) Mangeldiagnosen durch DRIS und CND (insbes. von Spurenelementen) häufiger als durch PIPPA PIPPA indiziert Mangel deutlicher als DRIS und CND systembedingt: Überfluss-Elemente der Hochertragsregion Beheira werden als defizitär in Blattproben der anderen Probenahmeregionen detektiert: S, B, Mo Kurvenverlauf der Grenzlinie für Spurenelemente optimierungsbedürftig

25 Boden-Pflanze-Interaktion Aus der Korrelationsanalyse/Regressionsanalyse lassen sich weitere, die Ertragsleistung beeinflussende Faktoren ableiten: Wasserstress Salzstress organische Belastung und unausgewogene chemische Zusammensetzung des Bewässerungswassers

26 Fazit Die Pflanzenanalyse ist geeignet, zu einem späten Wachstumsstadium Nährstoffmängel aufzuzeigen on-farm-research ausreichend zur Ermittlung von Zielwerten, allerdings kritische Prüfung erforderlich auch für regionale, low-cost-untersuchungen geeignet

27 Ausblick Wir bearbeiten das Thema weiter, z. B. hinsichtlich einer verbesserten Methodik zur Ableitung der Grenzlinien für Spurenelemente

28 Dank Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Informationen unter Dr. rer. nat. Susanne Klages Felchesgasse Darmstadt