Wirkungen erhöhter CO2- und/oder Ozonkonzentrationen auf den Ertrag und die Qualität landwirtschaftlicher Nutzpflanzen

摘要

Sommerweizen (Triticum aestivum L. cv. Minaret), Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. Alexis) und Kartoffeln (Solanum tuberosumL. cv. Bintje) wurden in open-top Kammern (OTC) oder in einem kammerlosen Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) mitverschiedenen CO2-Konzentrationen (380, 550 und 680 µl l-1 CO2) und Ozonkonzentrationen (Umgebungs-Ozon und 60 nl l-1 Ozon) inKombination mit zwei Stickstoffversorgungsstufen (Weizen: 270 bzw. 300 und 150 kg N ha-1, Gerste: 140 und 80 kg N h-1) exponiert. DieBestandesentwicklung, die oberirdische Biomasseproduktion, der Ertrag und die verwertungsspezifische Ertragsqualität wurdenuntersucht, um die potenziellen Folgen dieser Bestandteile des Globalen Wandels auf wichtige landwirtschaftliche Nutzpflanzenabzuschätzen.Erhöhtes CO2 minderte 1998 bei Kartoffelpflanzen den Wasserverbrauch des Bestandes, verbesserte die Stickstoffnutzungseffizienz undreduzierte die Pflanzenhöhe, Ozon verursachte keinen Effekt. Bei Sommerweizen konnten unter erhöhtem CO2 eine vermehrte Allokationvon Stärke, löslichen Kohlenhydraten und Saccharose beziehungsweise eine Entwicklungsbeschleunigung während der Kornfüllungbeobachtet werden. Die phänologische Entwicklung der Kartoffeln schien dagegen durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst, allerdings deutetedie höhere Anzahl seneszenter Blätter zum Ende der Vegetationsperiode und der frühere Blattchlorophyllabbau auf eine beschleunigteSeneszenz hin. Erhöhtes Ozon verursachte eine frühere Knolleninduktion und beschleunigte ebenfalls die Blattseneszenz.Bei Getreide ergab sich der größte Zuwachs der oberirdischen Biomasse (Weizen 42,0 %, Gerste 37,7 %) und des Kornertrags (Weizen38,5 %, Gerste 27,9 %) in der Exposition mit 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit hoher Stickstoffversorgung durch vermehrte Ausbildung vonSeitentrieben. Der Ernte-Index blieb weitgehend unverändert. Obwohl eine niedrigere Stickstoffversorgung die CO2-Antwort derGetreidearten offensichtlich limitierte, konnten Interaktionen von CO2 und Stickstoff nur vereinzelt festgestellt werden. Die oberirdischeBiomasse und der Ertrag von Kartoffelpflanzen hingegen reagierten nur gering auf erhöhtes CO2. Während der industrielle Ertrag durcherhöhtes CO2 unbeeinflusst blieb, stiegen der Gesamtertrag um 12,6 % (OTC) und 8,8 % (FACE) und der kommerzielle Ertrag um 15,4 %(OTC) und 8,7 % (FACE) in der Behandlung mit 550 µl l-1 CO2 tendenziell an. Ein Konzentrationsanstieg auf 680 µl l-1 CO2 bewirkte keinenweiteren Ertragsanstieg. Erhöhtes Ozon verursachte bei Kartoffelpflanzen trotz der massiven sichtbaren Blattschäden keinen eindeutigenErtragsverlust. Der maximale Knollenertrag wurde unter 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit erhöhtem Ozon erreicht, so dass tendenzielldurch Ozon auftretende Verluste durch erhöhtes CO2 kompensiert wurden.Obwohl das Tausendkorngewicht, der Vollgersteanteil und die Keimfähigkeit durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst erschienen, wurde dieKornqualität durch kleinere Körner (Siebsortierung) reduziert. Die optische Qualität (schorfige, deformierte und grüne Knollen) und diephysikalische Qualität (spezifisches Gewicht, Unterwassergewicht und Glasigkeit) blieben unter erhöhtem CO2 und Ozon überwiegendunbeeinflusst, lediglich erhöhtes CO2 bewirkte durch einen Trockensubstanzanstieg eine Qualitätsverbesserung der Kartoffelknollen,erhöhtes Ozon verursachte ein Absinken des Trockensubstanzgehaltes.Zur Beurteilung der chemischen Ertragsqualität wurden Kohlenhydrate (Stärke, Glucose, Fructose, Saccharose), Mineralstoffe (N, P, K, C,S, B, Ca, Mg, Mn, Zn, Fe, Na, Al, Cd), Proteine und Aminosäuren analysiert, zusätzlich bei den Kartoffelknollen die Organischen Säuren(Ascorbat, Citrat, Malat), Glycoalkaloide (alpha-Chaconin, alpha-Solanin) und Anionen (Chlorid, Nitrat, Sulfat). Die Ergebnisse dieserAnalysen lassen auf bedeutende Veränderungen der zukünftigen Qualität landwirtschaftlicher Nutzpflanzen schließen. Reduzierte Glucose-und Fructosekonzentrationen in den Knollen durch erhöhtes CO2 und Ozon verbesserten die Kartoffelqualität. Erhöhtes CO2 vermindertedie Ertragsqualität durch Anstieg der Stärkekonzentration und Abnahme der Mineralstoffkonzentration (N, S, Zn, P, Fe, Mg, Ca) undAminosäurekonzentration bei Sommerweizen und durch Reduktion der Ascorbatkonzentration in Kartoffeln. Erhöhtes Ozon verbesserte dieKnollenqualität durch Zunahme der Mineralstoff- (N, S, Zn) und Proteinkonzentration, reduziert jedoch, im Gegensatz zu erhöhtem CO2, dieKnollenqualität durch Anstieg der Aminosäurekonzentration.Die Brauqualität der Sommergerste wurde in Form verringerter Proteingehalte unter erhöhtem CO2 verbessert, bei Sommerweizen undKartoffeln bedeutete dies jedoch eine Verschlechterung der Ertragsqualität, die nur teilweise durch eine höhere Stickstoffversorgungkompensiert werden konnte. Unabhängig von der Stickstoffversorgung erreichte die Proteinkonzentration - besonders für Glutelin - beiSommerweizen unter erhöhtem CO2 nicht den für eine ausreichende Backqualität notwendigen Schwellenwert.