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

Högy, Petra


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenökologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 10.09.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Sommerweizen (Triticum aestivum L. cv. Minaret), Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. Alexis) und Kartoffeln (Solanum tuberosum
L. cv. Bintje) wurden in open-top Kammern (OTC) oder in einem kammerlosen Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) mit
verschiedenen CO2-Konzentrationen (380, 550 und 680 µl l-1 CO2) und Ozonkonzentrationen (Umgebungs-Ozon und 60 nl l-1 Ozon) in
Kombination mit zwei Stickstoffversorgungsstufen (Weizen: 270 bzw. 300 und 150 kg N ha-1, Gerste: 140 und 80 kg N h-1) exponiert. Die
Bestandesentwicklung, die oberirdische Biomasseproduktion, der Ertrag und die verwertungsspezifische Ertragsqualität wurden
untersucht, um die potenziellen Folgen dieser Bestandteile des Globalen Wandels auf wichtige landwirtschaftliche Nutzpflanzen
abzuschätzen.


Erhöhtes CO2 minderte 1998 bei Kartoffelpflanzen den Wasserverbrauch des Bestandes, verbesserte die Stickstoffnutzungseffizienz und
reduzierte die Pflanzenhöhe, Ozon verursachte keinen Effekt. Bei Sommerweizen konnten unter erhöhtem CO2 eine vermehrte Allokation
von Stärke, löslichen Kohlenhydraten und Saccharose beziehungsweise eine Entwicklungsbeschleunigung während der Kornfüllung
beobachtet werden. Die phänologische Entwicklung der Kartoffeln schien dagegen durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst, allerdings deutete
die höhere Anzahl seneszenter Blätter zum Ende der Vegetationsperiode und der frühere Blattchlorophyllabbau auf eine beschleunigte
Seneszenz 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 (Weizen
38,5 %, Gerste 27,9 %) in der Exposition mit 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit hoher Stickstoffversorgung durch vermehrte Ausbildung von
Seitentrieben. Der Ernte-Index blieb weitgehend unverändert. Obwohl eine niedrigere Stickstoffversorgung die CO2-Antwort der
Getreidearten offensichtlich limitierte, konnten Interaktionen von CO2 und Stickstoff nur vereinzelt festgestellt werden. Die oberirdische
Biomasse und der Ertrag von Kartoffelpflanzen hingegen reagierten nur gering auf erhöhtes CO2. Während der industrielle Ertrag durch
erhöhtes 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 keinen
weiteren Ertragsanstieg. Erhöhtes Ozon verursachte bei Kartoffelpflanzen trotz der massiven sichtbaren Blattschäden keinen eindeutigen
Ertragsverlust. Der maximale Knollenertrag wurde unter 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit erhöhtem Ozon erreicht, so dass tendenziell
durch Ozon auftretende Verluste durch erhöhtes CO2 kompensiert wurden.


Obwohl das Tausendkorngewicht, der Vollgersteanteil und die Keimfähigkeit durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst erschienen, wurde die
Kornqualität durch kleinere Körner (Siebsortierung) reduziert. Die optische Qualität (schorfige, deformierte und grüne Knollen) und die
physikalische Qualität (spezifisches Gewicht, Unterwassergewicht und Glasigkeit) blieben unter erhöhtem CO2 und Ozon überwiegend
unbeeinflusst, 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 dieser
Analysen 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 verminderte
die Ertragsqualität durch Anstieg der Stärkekonzentration und Abnahme der Mineralstoffkonzentration (N, S, Zn, P, Fe, Mg, Ca) und
Aminosäurekonzentration bei Sommerweizen und durch Reduktion der Ascorbatkonzentration in Kartoffeln. Erhöhtes Ozon verbesserte die
Knollenqualität durch Zunahme der Mineralstoff- (N, S, Zn) und Proteinkonzentration, reduziert jedoch, im Gegensatz zu erhöhtem CO2, die
Knollenqualität durch Anstieg der Aminosäurekonzentration.


Die Brauqualität der Sommergerste wurde in Form verringerter Proteingehalte unter erhöhtem CO2 verbessert, bei Sommerweizen und
Kartoffeln bedeutete dies jedoch eine Verschlechterung der Ertragsqualität, die nur teilweise durch eine höhere Stickstoffversorgung
kompensiert werden konnte. Unabhängig von der Stickstoffversorgung erreichte die Proteinkonzentration - besonders für Glutelin - bei
Sommerweizen unter erhöhtem CO2 nicht den für eine ausreichende Backqualität notwendigen Schwellenwert.

Kurzfassung auf Englisch: Spring wheat (Triticum aestivum L. cv. Minaret), spring barley (Hordeum vulgare L. cv. Alexis) and potato (Solanum tuberosum L. cv.
Bintje) were exposed to CO2 enrichment (380 and 550 µl l-1 CO2) in a free-air carbon dioxide enrichment system (FACE) and to CO2 (380,
550 and 680 µl l-1 CO2) and/or O3 (ambient and 60 nl l-1 ozone) in open-top field chambers (OTC), in combination with two different
nitrogen supplies, respectively (wheat: 270/300 and 150 kg N ha-1, barley: 140 and 80 kg N h-1). Canopy development, aboveground
biomass, yield and commercial yield quality were analysed in order to assess potential effects of these global change components on
crops in a future world.


In potato, elevated CO2 reduced 1998 canopy water consumption, increased the nitrogen use efficiency and reduced canopy height,
whereas ozone had no such effects. In wheat, CO2 enrichment caused an enhanced allocation of starch, soluble carbohydrates and
sucrose, and led to a faster canopy development during grain filling.


In contrast, phenological development in potato was hardly affected by CO2 enrichment, although a higher number of senescent leaves and
a faster degradation of leaf chlorophyll indicated an acceleration of senescence. Elevated ozone levels caused earlier tuber induction and
enhanced leaf senescence.


The largest increases in aboveground biomass among the tested species due to CO2 enrichment at 680 µl l-1 CO2 were observed in
cereals (wheat 42,0 %, barley 37,7 % at high N supply). This held also for yield (wheat 38,5 %, barley 27,9 %) and was caused by
increased tillering. Harvest index, however, was not affected. At low N supply, CO2 enrichment effect was lower. However, significant
interactions between CO2 level and N supply were detected only on few occasions. Aboveground biomass and tuber yield of potato were
much less responsive to CO2 enrichment than the cereals. Potato yield of the largest tuber fraction was unaffected by CO2, whereas total
yield increased by 12,6 % (OTC) and 8,8 % (FACE), and commercial yield by 15,4 % (OTC) and 8,7 % (FACE) at 550 µl l-1 CO2,
respectively. A further CO2 increase to 680 µl l-1 CO2 caused no further increase in yield. Elevated ozone had no significant effect on potato
yield in spite of severe leaf injuries. CO2 enrichment appeared to compensate for tuber yield loss due to ozone, since the largest tuber yield
was obtained at 680 µl l-1 CO2 in combination with high O3.


In barley, yield quality was reduced by an average decrease of grain size, whereas thousand grain weight, grain size > 2,5 mm and
germination were not affected. Optical tuber quality (occurrence of common scab, malformation of tubers and green tubers) and the
physical quality (specific gravity, underwater weight and waxy tubers) remained unchanged due to CO2 and ozone. However, CO2
enrichment caused higher dry matter content and, therefore, higher quality, whereas dry matter content was decreased due to high O3.


Chemical yield quality was assessed using contents of carbohydrates (starch, glucose, fructose, sucrose), mineral elements (N, P, K, C, S,
B, Ca, Mg, Mn, Zn, Fe, Na, Al, Cd), protein and amino acids, and - in potato tubers only - organic acids (ascorbat, citrat, malate),
glycoalcaloids (a-chaconine, a-solanine) and anions (chloride, nitrate, sulfate). The results of these analyses suggest significant alterations
of yield quality in a future world. Glucose and fructose contents in potato tubers were reduced both by CO2 and O3 which meant an increase
in tuber quality. However, CO2 enrichment led to decreased yield quality by increases in starch and decreases in mineral elements (N, S,
Zn, P, Fe, Mg, Ca) and amino acids in wheat, and by reduced ascorbat concentration in potato tubers. High ozone increased potato tuber
quality through increases in mineral element content (N, S, Zn) and protein content, but reduced quality due to higher amino acids content.


Brewing quality of barley was increased by CO2 via decreased protein content. The same effect occurred in wheat and potato. However, in
these species high protein content is desirable. Therefore, CO2 enrichment depressed yield quality in these species. This effect could not
fully be compensated by increased N supply. At any level of N supply, CO2 enrichment led to the reduction of protein concentration in wheat
grains, in particular with respect to gluten, to values below that sufficient for the baking quality of flour.