
© Gernot Bodner
OptiBeet: Pflanzenbauliche und züchterische Strategien zur Optimierung der Wassernutzungseffizienz von Zuckerrüben
Projektleitung
Gernot Bodner
Forschungseinrichtung
Universität für Bodenkultur Wien
Projektnummer
101439Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Allgemeine Projektinformationen
Schlagwörter (deutsch)
Wassernutzungseffizienz, Zuckerrübe, Evaporation, Wasserisotope
Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)
Titel (englisch)
Agronomic and breeding strategies to optimize water use efficiency of sugar beet
Projektziele
Die konkreten Ziele des Projekts sind:
(1) In-situ Bewertung von Sorten-Unterschieden in der Bodenwassernutzung auf Grundlage der Analyse von Wasserisotopensignaturen.
(2) Definition trockenheitsresistenter Sortenideotypen hinsichtlich Blattapparat und Wurzelleistung als strategischer Rahmen für Sortenempfehlung und Züchtung.
(3) Quantifizierung des Reduktionspotentials von Evaporationsverlusten durch Mulchsaat bei unterschiedlichem standörtlichem Wasserspeichervermögen des Bodens.
(4) Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Sortentyp, Anbausystem und Standortbedingungen und modellbasierte Entwicklung von Strategien zur Anpassung an Trockenheit unter künftigen Klimabedingungen im österreichischen Zuckerrübenbau.
Dem Projekt liegen folgende Hypothesen zugrunde:
(1) Sorten mit tieferen Wurzelsystemen nutzen anteilig mehr Bodenwasser, das durch Winterniederschläge neugebildet wurde, und weisen in tieferen Bodenschichten daher eine stärkere Veränderung der Wasserisotopensignatur auf als Sorten, die auf oberflächennahe Bodenwasserressourcen angewiesen sind.
(2) Auf Standorten mit hoher Wasserspeicherfähigkeit haben Zuckerrübensorten mit hohem Potential der Winterfeuchtenutzung (tiefes Wurzelsystem) eine höhere Ertragsfähigkeit als Sorten mit sparsamer Wassernutzung. Auf Standorte mit geringerer Wasserspeicherfähigkeit dagegen sind Sorten mit sparsamer Wassernutzung (reduzierter Blattapparat) ertragsfähiger.
(4) Auf Standorte mit geringer Speicherfähigkeit hängt die Ertragsfähigkeit vor allem von der produktiven Nutzung der Niederschläge in der Vegetationszeit ab. Auf diesen Standorten ist die Reduktion von Evaporationsverlusten durch Mulchsaatsystemen von größerer Bedeutung für die Ertragsfähigkeit als auf gut speicherfähigen Standorten.
Es wird erwartet, dass die Ergebnisse des Forschungsprojekts eine verbesserte, standortangepasste Sortenempfehlung sowie optimierte Anbausysteme für die Rohstoffaufbringung in der österreichischen Zuckerrübenproduktion erlauben und damit die Zuckerrübe als wichtiges Fruchtfolgeglied in den Ackerbausystemen in Österreich auch zukünftig sichern. Im Speziellen erwarten wir folgende Ergebnisse aus der erfolgreichen Durchführung des Projekts:
1. Erhöhung der Wassernutzungseffizienz von Zuckerrübensorten: Es wird erwartet, dass die Trockenstressresistenz der Zuckerrübe sowohl durch die Verbesserung der Wassernutzung aus tiefen Bodenschichten also auch durch einen lichtnutzungseffizienten Blattapparat mit geringerer Transpirationsoberfläche verbessert werden kann. Das Projekt wird zu einer besseren Sortenanpassung an den Standort beitragen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Effektivität der jeweiligen Wassernutzungsstrategie (aufnahmeoptimierte Tiefwurzler vs. verbrauchsoptimierte Blattarchitektur) aufgrund des Bodenspeicherpotential des Standortes vorhergesagt werden kann.
2. In-situ Methodik für wassereffiziente Zuckerrübenproduktion: In außereuropäischen Trockenregionen konnte für Weizen klar nachgewiesen werden, dass die Fähigkeit von Sorten zur Nutzung von Bodenfeuchtevorräten aus tiefen Bodenschichten einen signifikanten Ertragseffekt hat (Kirkegaard et al., 2007). Bei Zuckerrübe ist die Wasserverfügbarkeit um die Zeit des Reihenschlusses für die Ertragsbildung entscheidend, wobei zu dieser Zeit eine heiße Witterung (hohes Sättigungsdefizit der Atmosphäre) sowie eine geringe Nachlieferung aus dem Niederschlag zu signifikanten Ertragseinbußen führen kann. Es wird erwartet, dass der Zuckerrübenertrag einen signifikanten Zusammenhang mit den Veränderungen der Isotopenverhältnisse des Bodenwassers zeigt, die einen Indikatoren für eine effiziente Pflanzenwassernutzung darstellen (Wasseraufnahme aus tiefen Bodenschichten, Reduktion der Bodenevaporation). Die Bestimmung der Wasserisotopenverhältnisse stellt daher eine Methodik zur Bewertung der Herkunft der Wasserquelle und damit der Wassereffizienz von Sorten und Produktionssystemen dar.
3. Standortangepasste Produktionssysteme: Bodenevaporation führt bei Zuckerrüben bis Reihenschluss zu einem hohen Wasserverlust, der durch den Trend zu höheren atmosphärischem Sättigungsdefizit weiter ansteigen wird. Das Projekt wird die Eignung von Mulchsaatsystemen zur Verringerung der Bodenevaporation und die damit zu erzielenden Ertragszuwächse bei unterschiedlichen Sortentypen (hoher vs. geringer Blattflächenindex) und Standorteigenschaften (hohe vs. geringe Speicherfähigkeit) aufzeigen. Optimierung der Bodenbedeckung im Anbausystem durch Zwischenfrucht-Mulchsaatsysteme in Verbindung mit rasch den Boden abdeckenden Sorten bedeutet auch eine effizientere Unterdrückung des Beikrautdruckes (biologischer Produktion) sowie eine Sicherung der Bodenfruchtbarkeit (Humus, Struktur) in Verbindung mit verbesserter Wassereffizienz. Es wird erwartet, dass über die Isotopenveränderung im Oberboden die Effektivität von Mulchsaatsystemen quantifiziert werden kann (Hsieh et al, 1998) und besonders bei Sorten mit geringem Blattapparat (wassersparende Typen) Mulchsaat einen hohen Beitrag zur Optimierung der Wassernutzungseffizienz im Produktionssystem beiträgt.
4. Abschätzung von Risiko- und Optimierungspotentialen: Die empirischen Erkenntnisse über standortspezifische Sorten- und Anbausystem-Einflüsse auf Pflanzenwassernutzung und Evaporation werden über ein hydrologisches Modell verallgemeinert und anhand von regionalen Klimaszenarien zur genauen Analyse und Prognose des künftigen Produktionsrisikos verwendet. Dabei werden auch die Wassersparpotentiale von verbesserten Sorten und Produktionssystemen im Hinblick auf deren Risiko-Minimierungspotential abgeschätzt.
Literatur
Hsieh JC, Chadwick OA, Kelly EF, Savin SM. 1998. Oxygen isotopic composition of soil water: quantifying evaporation and transpiration. Geoderma 82 269-293.
Kirkegaard JA, Lilley JM, Howe GN, Graham JM. 2007. Impact of subsoil water use on wheat yield. Australian Journal of Agricultural Research 58, 303-315.
Praxisrelevanz
Die Sicherung der heimischen Rohstoffproduktion bei Zuckerrübe bei gegebenem Marktumfeld bedeutet daher im Wesentlichen eine hohe Ertragssicherheit zu gewährleisten, um so die Zuckerrübe für Landwirte weiterhin zu einer profitablen Kultur in der Fruchtfolge zu machen. Angesichts der Unsicherheit im Wachstumsfaktors Wasser als wichtigstem ertragsbegrenzenden Faktor im Osten Österreichs gilt es, die Zuckerrübenproduktion weiter hinsichtlich Trockenheitsresistenz zu optimieren. Dies ist durch eine effizientere Nutzung der verfügbaren Wasserressourcen möglich, insbesondere durch (i) die Verringerung der Verluste über Bodenverdunstung (Mulch), (ii) die Nutzung tiefliegender Wasserreserven, die durch flacher wurzelnde Kulturen in der Fruchtfolge nicht genutzt werden können („Wurzelraum-Kompartimentierung“), und (iii) eine Verbesserung des Wachstumspotentials bei gegebener pflanzenverfügbarer Wassermenge (Transpirationseffizienz).
Die Zuckerrübe stellt im Nordöstlichen Flach- und Hügelland nach wie vor flächenmäßig eine tragende Kulturart dar. Die Sicherung der landwirtschaftlichen Rohstoffproduktion in Österreich erfordert daher Produktionsstrategien und angepasste Sorten, die an die vorherrschenden und künftigen klimatischen Bedingungen optimal angepasst sind. Die Steigerung der Wassereffizienz im Rahmen von, den Boden schützenden, Anbausystemen (Zwischenfrucht, Mulchsaat) steht dabei im Mittelpunkt. Aus diesem Grund hat das vorliegende Projekt eine hohe Bedeutung für die nachhaltige Sicherung des österreichischen Ackerbaus, die über die Produktionssicherheit der Zuckerrübe hinaus-geht, da es Verbesserungspotentiale in der Wassernutzungseffizienz aufzeigt und Methoden entwickelt, mit denen bestehende Systeme evaluiert und optimiert werden können.
Berichte
Kurzfassung
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Abstract (deutsch)
Die Zuckerrübe stellt in Europa die wichtigste Grundlage für die Produktion von Zucker dar und bedeckt im etwa 1,8 % der europäischen Ackerfläche, wobei die Produktionsgebiete von feuchten ozeanischen bis zu semi-ariden kontinentalen und mediterranen Klimaräumen reichen. Trotz der Eignung der Zuckerrübe für den Anbau in wasserlimitierten Regionen ist zu erwarten, dass die Risiken trockenheitsbedingter Ertragsverluste mit dem Klimawandel zunehmen werden. Im Projekt „Optibeet“ wurden daher Möglichkeiten zur Erhöhung der Ertragssicherheit im Zuckerrübenanbau unter pannonischen Trockenbedingungen untersucht. Im Vergleich zu den jahresbedingten Schwankungen der Zuckerrübenerträge in Österreich von etwa 11 % können durch Managementanpassung Ertragssteigerungen zwischen 5 % und 27 % erzielt werden. Die Effektivität der im Projekt geprüften Maßnahme nahm in folgender Reihung ab: Bewässerung > Bodenbedeckung > Sorte. Als statistisch nicht signifikant erwiesen sich der Vergleich von Zwischenfrucht vs. Schwarzbrache sowie unterschiedliche Stickstoffdüngehöhen. Eine Bewässerungsmöglichkeit stellt damit die effektivste Maßnahme zur Sicherung der Erträge dar, wobei durch gezielte Steuerung auch bei reduzierter Wassermenge eine weitgehende Ertragssicherung gewährleistet werden kann. Als besonders wichtig für das österreichische Trockengebiet erwies sich die Reduktion unproduktiver Wasserverluste über Evaporation durch eine möglichst vollständige Mulchbedeckung des Bodens. Die untersuchten Sorten zeigten Unterschiede in morphologischen (Wurzel) und physiologischen (Stomata) Pflanzenmerkmalen mit biologischer Relevanz für Trockenstressresistenz, wobei die daraus erwartbaren Ertragsvorteilung unter Feldbedingungen nicht immer realisiert werden können. Besonders das Ziel eine besseren Wurzel-Managements zur optimalen Anpassung an Trockensituationen erfordern methodische Weiterentwicklung, wie die im Projekt gezeigte Nutzung von Wasserisotopen, um ein effizientes Instrument zur Bewertung von Management- und Züchtungsfortschritten in der Wassernutzung zu erhalten. Neben den untersuchten agronomischen und züchterischen Maßnahmen bedarf es auch geeigneter Rahmenbedingungen, um innerhalb der naturräumlich äußerst diversen Voraussetzungen eines offenen Marktes sowie unter den Herausforderungen der Klimawandelanpassung und den Anforderungen des Klimaschutzes die heimische Rübenproduktion in Zukunft zu sichern.
Abstract (englisch)
Sugar beet is the most important raw material for production of sugar in Europe and covers around 1.8% of European arable land, with production areas ranging from humid oceanic to semi-arid continental and Mediterranean climates. Despite the suitability of sugar beet for cultivation in water-limited regions, it is to be expected that the risks of drought-related yield losses will increase with climate change. In the "Optibeet" project, possibilities for increasing yield stability in sugar beet production under semi-arid Pannonian conditions were therefore investigated. Compared to the annual fluctuations in sugar beet yields in Austria of around 11%, yield increases of between 5% and 27% can be achieved through management adjustments. The effectiveness of the measures investigated in the project decreased in the following order: irrigation > ground cover > variety. The comparison of cover crops vs. bare fallow and different amounts of nitrogen fertilizer proved to be statistically insignificant. An irrigation option is therefore the most effective measure for securing yields, whereby targeted irrigation control can ensure high yields even with reduced water quantities. The reduction of unproductive water losses through evaporation by covering the soil with an intense mulch layer proved to be particularly important for Austrian conditions. The varieties examined showed significant differences in morphological (root) and physiological (stomata) plant traits with biological relevance for drought stress resistance, although the expectable yield advantage cannot always be realized under field conditions. In particular, the goal of better root management for optimal adaptation to drought situations requires further methodological development, such as the use of water isotopes shown in the project, in order to obtain an efficient instrument for evaluating management and breeding progress in water use. In addition to the agronomic and breeding measures examined, suitable framework conditions are also required to secure domestic beet production in future within the extremely diverse natural conditions of an open market and under the challenges of climate change adaptation and the requirements of climate protection.
Autor/innen
Bodner, G.