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Elke Graffam
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Auswirkungen des CO2-Anstieg auf die Stickstoffaufnahme und Verlagerung in das Korn bei Winterweizen

Projekt

Anbau von Winterweizen unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration und unterschiedlicher Stickstoffdüngung (c) Thünen-Institut/BD
Anbau von Winterweizen unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration und unterschiedlicher Stickstoffdüngung (© Thünen-Institut/BD)

Freilanduntersuchungen zu Prozessen der Interaktion variierender Stickstoffdüngung mit einer erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentration im Hinblick auf Protein-Konzentration und Zusammensetzung im Weizenkorn

Nach dem neuesten Kenntnisstand bewirkt der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration zwar eine Zunahme des Kornertrags von Weizen, aber der Eiweißgehalt und damit die Weizenqualität wird beeinträchtigt. Dies ist ein erhebliches Problem für die Ernährungssicherheit, das mit geeignete Anbau- und züchterische Maßnahmen gelöst werden muss.

Hintergrund und Zielsetzung

Zur Lösung des Problems ist ein detailiertes Prozessverständnis erforderlich, wie es im Rahmen dieses Projekts erarbeitet werden soll. Dazu soll untersucht werden, welchen Einfluss die steigende CO2-Konzentration auf die Stickstoffaufnahme und die Remobilisierung in die Körner hat. Es soll geprüft werden, ob der negative CO2-Effekt auf die Weizenqualität durch die Menge oder eine andere Form des Stickstoffdüngers aufgehoben werden kann.  

Es wird vermutet dass die Reduktion der Lichtatmung unter erhöhter CO2-Konzentration gleichzeitig eine Abnahme der Nitratassimilation bewirkt. Dies und andere Mechanismen werden als Ursache für den Abfall der Proteinkonzentration unter mehr CO2 diskutiert. Im ersten Fall könnte das Problem gelöst werden, wenn die Pflanze den Stickstoff nur in Ammoniumform aufnimmt. Dies soll durch den Einsatz verschiedener Stickstoffdünger geprüft werden.

Vorgehensweise

Winterweizen wird im Rahmen eines zweijährigen Feldexperiments auf dem Versuchsfeld des Thünen-Instituts bei der aktuellen (ca. 395 ppm) und erhöhter CO2-Konzentration (600 ppm) angebaut. Als zusätzlicher Faktor wird innerhalb jeder Versuchsfläche mit normaler und erhöhter CO2-Stufe die Stickstoffdüngung variiert und zwar bezüglich der Menge (extrem niedrige, praxisüblich, extrem hoch) und der Form (nur in Form von Ammonium oder in Form von Nitrat und Ammonium).

Daten und Methoden

Die Untersuchungen umfassen

  • punktförmige Messungen zur Aktivität der Nitratreduktase als Schlüsselenzym für die Nitratassimilation
  • Messungen zur Akummulation des organischen N in der vegetativen Masse bis zur Blüte (Blatt, Halm)
  • und zur N-Aufnahme zwischen Blüte und Kornreife
  • sowie zur Verlagerung des organischen N in die Körner

Unsere Forschungsfragen

Kommt es unter erhöhter CO2-Konzentration zu einem Abfall der Aktivität der Nitratreduktase und der N-Assimilation der ganzen Pflanze?

Gibt es eine Wechselwirkung zwischen der CO2- und der N-Versorgung bzw. kann der Abfall der Proteinkonzentration im Korn durch mehr Stickstoffdünger verhindert werden?

Kann die Beeinträchtigung der Kornqualität unter erhöhter CO2-Konzentration verhindert werden, indem man den Pflanzen nur Ammoniumstickstoff anbietet?

Vorläufige Ergebnisse

  • Unter erhöhter CO2-Konzentration wurde kein Abfall sondern ein Anstieg der Aktivität der Nitratreduktase und der N-Assimiation des Pflanzenbestandes gemessen,
  • Messungen zum saisonalen Wasserverbrauch des Bestandes ergaben bei praxisüblicher und sehr hoher N-Düngung eine Wasserersparnis von bis zu 15% unter erhöhter CO2-Konzentration. Bei sehr niedriger N-Düngung gab es keinen CO2-Effekt auf den saisonalen Wasserverbrauch. Damit verbunden war der unterschiedliche CO2-Effekt auf die Wassernutzungseffizienz, Er betrug bei N-Mangel nur 20% und bei hoher N-Düngung bis über 30%.

 

Thünen-Ansprechpartner


Beteiligte Thünen-Partner


Beteiligte externe Thünen-Partner


Geldgeber

  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    (national, öffentlich)

Zeitraum

5.2014 - 2.2019

Weitere Projektdaten

Projekttyp:
Projektfördernummer: MA 1736/5-1
Projektstatus: läuft

Publikationen

Anzahl der Datensätze: 10

  1. Dier M, Sickora J, Erbs M, Weigel H-J, Zörb C, Manderscheid R (2018) Decreased wheat grain yield stimulation by free air CO2 enrichment under N deficiency is strongly related to decreased radiation use efficiency enhancement. Eur J Agron 101:38-48, DOI:10.1016/j.eja.2018.08.007
  2. Dier M, Meinen R, Erbs M, Kollhorst L, Baillie C-K, Kaufholdt D, Kücke M, Weigel H-J, Zörb C, Hänsch R, Manderscheid R (2018) Effects of free air carbon dioxide enrichment (FACE) on nitrogen assimilation and growth of winter wheat under nitrate and ammonium fertilization. Global Change Biol 24:e40-354, DOI:10.1111/gcb.13819
  3. Manderscheid R, Dier M, Erbs M, Sickora J, Weigel H-J (2018) Nitrogen supply - A determinant in water use efficiency of winter wheat grown under free air CO2 enrichment. Agric Water Manag 210:70-77, DOI:10.1016/j.agwat.2018.07.034
  4. Manderscheid R, Dier M, Erbs M, Weigel H-J (2016) Free air CO2 enrichment (FACE) increases N remobilization and N acquisition during grain filling in wheat mitigating a decrease of grain N concentration. In: FACEing the future : food production and ecosystems under a changing climate, 26. – 29. September 2016, Justus Liebig University Giessen, Germany, Book of Abstracts. p 25
  5. Dier M, Manderscheid R, Sikora J, Erbs M, Weigel H-J (2016) Interactive effects of CO2 enrichment and N fertilization on grain N-acquisition and grain protein concentration in wheat. In: Ewert F, Boote KJ, Rötter RP, Thorburn PJ, Nendel C (eds) International Crop Modelling Symposium 15-17 march 2016, Berlin, book of abstracts. pp 240-241
  6. Manderscheid R, Dier M, Erbs M, Weigel H-J (2016) Mehr CO2 verringert den saisonalen Wasserverbrauch von Winterweizen insbesondere bei guter Nährstoffversorgung. Mitt Gesellsch Pflanzenbauwiss 28:190-191
  7. Dier M, Meinen R, Erbs M, Hänsch R, Weigel H-J, Zörb C, Manderscheid R (2016) Winter wheat grown under free-air CO2 enrichment (FACE) does not perform less with nitrate than ammonium based fertilization in terms of N assimilation, yield and grain protein concentration. In: Third International Symposium on the Nitrogen Nutrition of Plants, 22.-26. August 2016, Montpellier, Conference Book. p 99
  8. Manderscheid R, Sikora J, Dier M, Erbs M, Weigel H-J (2015) Interactive effects of CO2 enrichment and N fertilization on N-acquisition, -remobilization and grain protein concentration in wheat. Proced Environ Sci 29:88, DOI:10.1016/j.proenv.2015.07.173
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  9. Dier M, Manderscheid R, Sikora J, Erbs M, Weigel H-J (2015) Prozessanalyse zur Senkung der Kornprotein-Konzentration bei Winterweizen durch CO2-Anreicherung. Mitt Gesellsch Pflanzenbauwiss 27:49-50
  10. Erbs M, Manderscheid R, Jansen G, Seddig S, Pacholski A, Weigel H-J (2010) Effects of free-air CO2 enrichment and nitrogen supply on grain quality parameters and elemental composition of wheat and barley grown in a crop rotation. Agric Ecosyst Environ 136(1-2):59-68, DOI:10.1016/j.agee.2009.11.009