KIK: Kulturpflanzen im Klimawechsel: Interaktionen von Wasserversorgung und Stickstoffverfügbarkeit im Osten Österreichs. Der Einfluss von erhöhtem CO2 auf Wachstum und Produktivität landwirtschaftlicher Kulturpflanzen
Projektleitung
Harald Bolhar-Nordenkampf
Forschungseinrichtung
Universität Wien - Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik Institut für Ökologie und Naturschutz
Projektnummer
1311Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
Allgemeine Projektinformationen
Projektziele
Mit vorwiegend nicht destruktiven Untersuchungsmethoden sollen die Anpassungsmöglichkeiten von landwirtschaftlichen Kulturpflanzen an die simulierten Klimabedingungen studiert und kausalanalytische interpretiert werden. Die Untersuchungen zur 'Zukunftstauglichkeit' der Nutzpflanzen sollen nicht nur dazu dienen, den pflanzlichen Metabolismus zu beschreiben sondern auch dazu aussagekräftige Parameter zu etablieren, die unterstützend und richtungsweisend für Selektion entsprechender Sorten sein können.
Entsprechend der Ontogenie der Pflanzen sollen folgende Untersuchungen durchgeführt werden:
- Die Bestimmung der photosynthetischen Leistung
- Die Messung der Saugspannung und des Sättigungswassergehaltes
- Die Erfassung des osmotischen Potentials
Alle gewonnenen Daten sollen einzeln und in Kombination, bezüglich ihrer Nützlichkeit Stress und die Fitness der Pflanzen zu erfassen, analysiert werden.
Entsprechend der Ontogenie der Pflanzen sollen folgende Untersuchungen durchgeführt werden:
- Die Bestimmung der photosynthetischen Leistung
- Die Messung der Saugspannung und des Sättigungswassergehaltes
- Die Erfassung des osmotischen Potentials
Alle gewonnenen Daten sollen einzeln und in Kombination, bezüglich ihrer Nützlichkeit Stress und die Fitness der Pflanzen zu erfassen, analysiert werden.
Praxisrelevanz
Die laufende Klimaveränderung wird zu zahlreichen Veränderungen in den Kulturbedingungen landwirtschaftlicher Nutzpflanzen führen. Grundsätzlich sind direkte Effekte der Treibhausgase (CO2, CH2, N2O, FCKWs, O3) von den indirekten Wirkungen (Temperaturerhöhung, Trockenheit, Änderung der Niederschlagsverteilung, Unwetterhäufigkeit) zu trennen.
Im südöstlichen Flach- und Hügelland sowie im Marchfeld werden die Kulturen Trockenperioden im Frühjahr kombiniert mit Starkregenereignissen im Sommer (einerseits Dürre andererseits Staunässe) ausgesetzt sein. Diese Stressfaktoren führen dazu, dass für die essentiellen Adaptierungen der Pflanzen energie- und materialaufwendige Stoffwechselprozesse in Gang gesetzt werden müssen, die das Produktionspotential reduzieren.
In jedem Fall wird der Wasserhaushalt der Pflanzen stark belastet. Die Anpassungen an verringertes Wasserangebot betreffen anatomische Veränderungen, wie Anzahl und Größe der Spaltöffnungen, Veränderungen in der epidermalen Behaarung der Blätter, haben aber auch bedeutenden Einfluss auf die osmotische Regulation, um es den Pflanzen zu ermöglichen, niedrige Wasserpotentiale zu bewältigen.
Es ist zu erwarten, dass die licht- und CO2 -abhängigen Photosyntheseraten unter den zwei vorgegebenen Simulationsbedingungen deutlich Aufschluss über das Produktivitätspotential geben können. Dieses Potential – die gebildeten Kohlenhydrate – werden nun auf die einzelnen Pflanzenorgane (z.B. Wurzel, Stroh, Korn) recht unterschiedlich verteilt, wobei festzuhalten ist, dass sowohl erhöhtes CO2, als auch Trockenheit zu einer deutlichen Verlagerung der gewonnenen Kohlenhydrate in unterirdische Organe (Wurzeln, Rhizome) fördern. Eine Verlagerung, die jedoch nur bei wenigen Pflanzenkulturen (z.B. Zuckerrübe, Kartoffel) einer Steigerung der Produktivität dient.
Gleichzeitig dazu wird in den oberirdischen Pflanzenorganen das C:N Verhältnis gegenläufig verändert, es steigt unter erhöhtem CO2, fällt aber bei Trockenheit. Der Energiegehalt der Gewebe kann hingegen durch beide Parameter erhöht werden.
Ein Temperaturanstieg führt ebenso wie erhöhtes CO2 zu einer Beschleunigung der Ontogenie (verfrühte Ernte, ebenso wie raschere Seneszenz und Absterben der Pflanzen) und grundsätzlich zu höheren Atmungsverlusten. Ein weiterer Aspekt, der bei einem Temperaturanstieg zu gewaltigen Problemen führen wird, ist die erhöhte Evapotranspiration, die zu einem erhöhten Wasserbedarf der Systeme führen wird (Trockenheit, Dürre). Insbesondere der Vergleich von osmotischem Potential mit der Saugspannung der Pflanzen sollte daher wichtige Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit der Nutzpflanzen erbringen.
Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen sollen einzeln sowie in Kombination in Beziehung zur simulierten Klimaänderung gesetzt werden, sodass es möglich wird die 'Zukunftstauglichkeit' landwirtschaftliche Nutzpflanzen zu beurteilen. Aussagen über die Anpassungsfähigkeit, die Veränderungen in der CO2-Aufnahme und im Wasserhaushalt sowie der anatomisch-physiologischen Ausstattung sollten auch grundlegende Erkenntnisse zur Flexibilität des pflanzlichen Metabolismus bringen.
Im südöstlichen Flach- und Hügelland sowie im Marchfeld werden die Kulturen Trockenperioden im Frühjahr kombiniert mit Starkregenereignissen im Sommer (einerseits Dürre andererseits Staunässe) ausgesetzt sein. Diese Stressfaktoren führen dazu, dass für die essentiellen Adaptierungen der Pflanzen energie- und materialaufwendige Stoffwechselprozesse in Gang gesetzt werden müssen, die das Produktionspotential reduzieren.
In jedem Fall wird der Wasserhaushalt der Pflanzen stark belastet. Die Anpassungen an verringertes Wasserangebot betreffen anatomische Veränderungen, wie Anzahl und Größe der Spaltöffnungen, Veränderungen in der epidermalen Behaarung der Blätter, haben aber auch bedeutenden Einfluss auf die osmotische Regulation, um es den Pflanzen zu ermöglichen, niedrige Wasserpotentiale zu bewältigen.
Es ist zu erwarten, dass die licht- und CO2 -abhängigen Photosyntheseraten unter den zwei vorgegebenen Simulationsbedingungen deutlich Aufschluss über das Produktivitätspotential geben können. Dieses Potential – die gebildeten Kohlenhydrate – werden nun auf die einzelnen Pflanzenorgane (z.B. Wurzel, Stroh, Korn) recht unterschiedlich verteilt, wobei festzuhalten ist, dass sowohl erhöhtes CO2, als auch Trockenheit zu einer deutlichen Verlagerung der gewonnenen Kohlenhydrate in unterirdische Organe (Wurzeln, Rhizome) fördern. Eine Verlagerung, die jedoch nur bei wenigen Pflanzenkulturen (z.B. Zuckerrübe, Kartoffel) einer Steigerung der Produktivität dient.
Gleichzeitig dazu wird in den oberirdischen Pflanzenorganen das C:N Verhältnis gegenläufig verändert, es steigt unter erhöhtem CO2, fällt aber bei Trockenheit. Der Energiegehalt der Gewebe kann hingegen durch beide Parameter erhöht werden.
Ein Temperaturanstieg führt ebenso wie erhöhtes CO2 zu einer Beschleunigung der Ontogenie (verfrühte Ernte, ebenso wie raschere Seneszenz und Absterben der Pflanzen) und grundsätzlich zu höheren Atmungsverlusten. Ein weiterer Aspekt, der bei einem Temperaturanstieg zu gewaltigen Problemen führen wird, ist die erhöhte Evapotranspiration, die zu einem erhöhten Wasserbedarf der Systeme führen wird (Trockenheit, Dürre). Insbesondere der Vergleich von osmotischem Potential mit der Saugspannung der Pflanzen sollte daher wichtige Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit der Nutzpflanzen erbringen.
Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen sollen einzeln sowie in Kombination in Beziehung zur simulierten Klimaänderung gesetzt werden, sodass es möglich wird die 'Zukunftstauglichkeit' landwirtschaftliche Nutzpflanzen zu beurteilen. Aussagen über die Anpassungsfähigkeit, die Veränderungen in der CO2-Aufnahme und im Wasserhaushalt sowie der anatomisch-physiologischen Ausstattung sollten auch grundlegende Erkenntnisse zur Flexibilität des pflanzlichen Metabolismus bringen.
Berichte
Kurzfassung
Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen im Klimaszenario 2100, dass eine Erhöhung der CO2-Konzentration bei gleichzeitiger Erwärmung (+3°C) einen deutlichen Einfluss auf die Ontogenie (Entwicklung) und den Metabolismus von Hartweizen (Triticum durum L. ‚Helidur’) während der ganzen Vegetationsperiode hat. Die Photosyntheseleistung der Pflanzen (Asat) zeigte einen saisonal-ontogetischen Verlauf und wurde ab dem Stadium des Ährenschiebens (Frühsommer) deutlich erhöht, um bis zum Ende der Kornfüllungsphase wieder abzufallen. Unter KS-2100 Bedingungen reagierten die Pflanzen zu Beginn der Ontogenie (vegetative Phase) mit einer Reduktion der Asat, um während der generativen Phase deutlich anzusteigen. Geringe Wasserversorgung reduzierte Asat unter KS 2100 während der ganzen Ontogenie, unter KS 2002 konnte dies nur am Ende der Entwicklung beobachtet werden. Eine N-Unterversorgung führte unter beiden Klimaszenarien zu einer Erniedrigung der Asat Werte. Im Zusammenhang mit den höheren Photosyntheseraten konnte insbesondere unter KS 2100 eine Erhöhung des osmotischen Wertes und damit eine Reduktion (negativer) des osmotischen Potentials der Pflanze festgestellt werden, die auf eine Ein- bzw. Zwischenlagerung von Photosyntheseprodukten in die Vakuole der Zelle schließen lässt. Die Reaktion der Asat sowie des osmotischen Wertes sollten sich auf eine Veränderung in der ''Source-Sink“ (Produktion-Bedarf) Beziehung zurückführen lassen.
Die saisonale Veränderung der Kilma- bzw. Wachstumsbedingungen hatte zusammen mit der ontogenetischen Entwicklung signifikanten Einfluss auf die Blattleitfähigkeit (~ stomatäre Leitfähigkeit), wobei die Reaktionen auf der Blattober- und der Blattunterseite verschieden waren. Im KS-2100 wurden im Frühjahr (vegetative Phase) auf der Blattoberseite erniedrigte Werte (vgl. KS-2002 ) gemessen, in der Phase des Ährenschiebens (Frühsommer) zeigten sich jedoch deutlich erhöhte Blattleitfähigkeiten. Die Blattunterseite reagierte durchgehend auf KS-2100 mit verminderter Blattleitfähigkeit. Milder Trockenstress führte zu jedem Zeitpunkt der Entwicklung zu einer Reduktion der Leitfähigkeit, wohingegen eine geringere Stickstoffversorgung durchgehend zu höheren Leitfähigkeiten führte, während gut mit Wasser versorgte Pflanzen verringerte Leitfähigkeit aufwiesen.
Die Transpirationsraten folgten der Blattleitfähigkeit (~ stomatäre Leitfähigkeit), wie dies bei Pflanzen in Kulturkammern mit gut regulierten Klimabedingungen regelmäßig zu beobachten ist.
Neben den Veränderungen physiologischer Prozesse unter KS-2100 (+ CO2, +3°C) konnte auch ein Einfluss auf die Blattanatomie festgestellt werden. Sowohl die Epidermiszelldichte als auch die Stomata-Dichte (pro mm2) hatte zugenommen. Der Stomata-Index (pro Epidermiszelle) zeigte allerdings eine geringfügige Abnahme unter diesen Kulturbedingungen. Dies bedeutet, dass zwar die Anzahl der Stomata und der Epidermiszellen pro mm² Blattfläche zugenommen haben, die Vermehrung der Epidermiszellen im Verhältnis aber überwiegt. Sowohl für die Stomata-Dichte als auch für die Epidermiszelldichte wurde eine signifikante Interaktion zwischen dem KS-2100 und der Wasserversorgung gefunden. Eine vergleichbare Interaktion zwischen KS-2100 und N-Versorgung der Versuchspflanzen war allerdings nur im Stadium der frühen Milchreife (Sommer) signifikant. Den Stomata-Index betreffend, ergeben sich für die beiden Klimaszenarien und die unterschiedlichen Entwicklungsstadien verschiedene Trends. So zeigte sich unter KS-2100 eine Zunahme des Stomata-Index im Stadium des Schossens (Frühling) und eine Abnahme im Stadium der frühen Milchreife (Sommer). Die Interaktion zwischen KS-2100 und Wasserversorgung bzw. N-Versorgung war nur im Stadium des Schossens signifikant.