Das Braunschweiger FACE-Experiment

Expertise

Aufsicht auf einen FACE-Versuchsring (Durchmesser 20 m) im Winterweizen mit Schattierungsflächen. Die Spuren innerhalb und außerhalb des Ringes sind Versorgungspfade. (© Thünen-Institut/BD)

In den kommenden Jahrzehnten wird die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre ansteigen, Modellrechnungen gehen von 550 ppm (parts per million) bis Mitte dieses Jahrhunderts aus (aktuell: 400 ppm). CO2 ist für die Pflanzen der wichtigste „Nährstoff“ – sie nehmen ihn aus der Luft auf und wandeln ihn im Zuge der Photosynthese in Biomasse um. Führt dieser CO2-Düngeeffekt zu einem verstärkten Pflanzenwachstum? Wie werden andere Stoffwechsel-Parameter, etwa der Wasserverbrauch und die Qualität, beeinflusst? Ändert sich durch diese Vorgänge auch die biologische Vielfalt auf den Äckern?  

Um hier Antworten zu finden, läuft auf den Versuchsfeldern des Thünen-Instituts für Biodiversität in Braunschweig seit mehreren Jahren das sogenannte FACE-Projekt (Free Air Carbon Dioxide Enrichment). Kreisförmige Teilflächen der Felder mit 20 Metern Durchmesser werden mithilfe von computergesteuerten Düsen während der gesamten Vegetationsperiode mit CO2 begast, sodass innerhalb dieser Flächen CO2-Konzentrationen von rund 550 ppm herrschen. Fallweise können wir auch noch die Düngung variieren oder Trockenheit bzw. erhöhte Temperaturen simulieren. Auf diese Weise ist es möglich, unter realen Feldbedingungen die Zukunft vorwegzunehmen und die Auswirkungen einer künftig erhöhten CO2-Konzentration verbunden mit Sommertrockenheit zu studieren. Dabei geht es um Empfehlungen zur Anpassung der Landwirtschaft an künftige Klimaszenarien.  

Diese äußerst aufwändige Versuchseinrichtung gibt es weltweit nur an wenigen Stellen. Braunschweig ist der einzige FACE-Standort für Ackerbausysteme in Europa. Während zunächst eine dreigliedrige Fruchtfolge (Wintergerste, Zuckerrüben, Winterweizen) untersucht wurde, folgte 2007 und 2008 Mais. 2010 wie auch 2011 standen verschiedene Genotypen von Sorghum-Hirsen und Mais als Energiepflanzen auf dem Programm. 2014 und 2015 untersuchten wir den Zusammenhang zwischen Hitzestress und CO2-Erhöhung im Weizen. In einem weiteren Versuch wollen wir die Prozesse aufklären, die für die Verschlechterung der Backqualität von Weizen unter CO2-Erhöhung verantwortlich sind, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können.

Aufsicht auf einen FACE-Versuchsring (Durchmesser 20 m) im Winterweizen. (© Thünen-Institut/BD)
Wärmebild eines FACE-Ringes im Weizenfeld, aufgenommen mit einer Infrarotkamera. Die Farben zeigen, dass die Fläche innerhalb des Ringes etwas wärmer ist, weil die Pflanzen in einer Umgebungsluft mit erhöhter CO2-Konzentration ihre Spaltöffnungen stärker geschlossen halten und deshalb weniger Wasser verdunstet. (© Thünen-Institut/BD)
Maisfeld im Frühjahr 2008. Zu sehen sind Teile des FACE-Rings (graue Röhren), mit denen das CO2 in den Bestand geblasen wird. (© Thünen-Institut/BD)
Versuche mit Mais: Aufsicht auf einen FACE-Versuchsring (Durchmesser 20 m) mit Zeltkonstruktion für den Regenausschluss ('rain shelter'). Die Dachfläche wird nur bei Regen entrollt, ansonsten ist die Konstruktion oben und an den Seiten offen. (© Thünen-Institut/BD)
Blick auf das Feld mit Sorghum-Hirse im September 2010. Die Pflanzen sind etwa 3 Meter hoch. (© Thünen-Institut/BD)
Kontrollarbeiten im Sorghum-Feld 2010. In der Bildmitte eine der Röhren, durch die das CO2 in den Bestand geblasen wird. (© Thünen-Institut/M. Welling)
Eine Besuchergruppe informiert sich vor Ort über das FACE-Projekt. (© Thünen-Institut/M. Welling)
Mit kreisförmig angeordneten Erwärmunglampen wird die Umgebung des Weizens im Bestand während der Blütezeit um mehrere Grad erhöht. Damit sollen die Effekte von Hitzewellen und CO2-Erhöhung gleichzeitig simuliert werden. (© Thünen-Institut/BD)
Die Infrarotaufnahme zeigt die Erwärmung des Weizenbestandes im Bereich der Wärmelampen (blau: kühler, grün-rot: wärmer). (© Thünen-Institut/BD)

Eine kurze Übersicht über bisherige Ergebnisse:

  • Höhere Erträge (+7 % bis +15 %) bei allen C3-Pflanzen (Gerste, Weizen, Zuckerrübe). Bei der C4-Pflanze Mais steigen die Erträge nicht, jedoch kann Mais bei erhöhter CO2-Konzentration Trockenzeiten besser tolerieren und zeigt geringere Ertragsdepressionen.
  • Pflanzen benötigen weniger Wasser und Bestände werden „wärmer“, weil über die Spaltöffnungen weniger Wasser verdunstet.
  • Bei Getreide geht die Ertragsqualität (Rohproteingehalt) zurück.
  • Zuckerrüben gehen früher in die Seneszenz (Alterungsphase) über.
  • Mais liefert einen höheren Biomasseertrag als Sorghum-Hirse, auch unter Sommertrockenheit und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration.
  • Die funktionelle Diversität der Bodenfauna ändert sich. Zum Beispiel erhöhte sich in den meisten Fällen die Anzahl der Collembolen (eine Gruppe bodenbewohnender Insekten) in den CO2-angereicherten Parzellen, innerhalb der Collembolen verschob sich das Artengefüge.