Untersuchungen zum Wachstum und Gaswechsel von Weizenbeständen unter globalen Klimaveränderungen unter besonderer Berücksichtigung von Veränderungen der atmosphärischen CO2-Konzentrationen und des Bodenwasserhaushalts

Abstract

Aufgrund menschlicher Aktivitäten ist es zu einem Anstieg der atmosphärischen klimarelevanten Spurengase gekommen. Derenbekanntester Vertreter ist das Kohlendioxid (CO2), welches sowohl direkte als auch indirekte Auswirkungen auf das pflanzliche Wachstumhat. So soll laut Klimamodellen die zunehmende CO2-Konzentration in der Atmosphäre Änderungen der zeitlichen sowie der räumlichenVerteilung von Niederschlägen bewirken. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen erhöhten Kohlendioxids undWassermangels auf das pflanzliche Wachstum und den Gaswechsel zu untersuchen. Zusätzlich wurde in einem Versuchsjahr noch derEinfluß unterschiedlicher Bodentypen (Cambisol und Tschernosem) auf die pflanzlichen Reaktionen ermittelt. Sommerweizen (Triticum aestivum cv. Minaret) wurde in Open-Top-Kammern zwei CO2-Konzentrationen (Umgebungsluft sowie 650 µmolmol-1 in 1998 und 693 µmol mol-1 in 1999) ausgesetzt. Weiterhin wurden zwei Bewässerungsstufen eingerichtet: gut und mangelhaftversorgt. Letztere Pflanzen erhielten 1998 ca. die halbe Gießmenge der gut bewässerten, um einen um ca. 50 % reduziertenvolumetrischen Bodenwassergehalt einzustellen. 1999 durchliefen die gestreßten Pflanzen drei aufeinander folgende Austrocknungszyklenvon Wassersättigung des Bodens bis fast völliger Austrocknung (volumetrischer Wassergehalt nahe Null). Biomassen und Erträge wurdendestruktiv ermittelt, während nicht-destruktiv die Änderungen einzelner Parameter im Saisonverlauf ermittelt wurden. Ferner wurden 1999Gaswechseldaten bestimmt und A/ci-Kurven aufgenommen. Die Entwicklungsgeschwindigkeit der Pflanzen wurde durch die CO2-Konzentration nicht beeinflußt. Wassermangel bedingte 1999 einefrühere Erntereife. Die Lichtinterzeption wurde durch Kohlendioxid gesteigert, der Blattflächenindex war tendenziell erhöht. Wassermangelreduzierte beide Größen. Die SPAD-Werte zeigten sowohl durch CO2 als auch durch Wasserstreß einen reduzierten Chlorophyllgehalt derFahnenblätter an, als die Pflanzen in der Reifephase waren. Die gesamte oberirdische Biomasse war 1998 unter erhöhtem CO2 gesteigert, wobei die Pflanzen, die Wassermangel ausgesetzt waren,besonders profitierten. 1999 war der Fördereffekt nur an zwei von vier Ernten gegeben und unter guter Bewässerung stärker ausgeprägt.Wassermangel reduzierte die gesamte oberirdische Biomasse in beiden Jahren. Der Kornertrag war in beiden Jahren unter hohem CO2gesteigert. Dabei profitierten 1998 besonders die wassergestreßten und 1999 die gut bewässerten Pflanzen. Wassermangel führte inbeiden Jahren zu einer Reduktion. Sowohl 1998 als auch 1999 waren die durch CO2 bewirkten Ertragsänderungen von der Kornzahl unddem Tausend-Korn-Gewicht beeinflußt. Als Konsequenz aus den Reaktionen von Biomasse und Ertrag war der Ernteindex 1998 durchCO2 nur bei guter Bewässerung gesteigert und durch Wassermangel reduziert. 1999 dagegen erfolgte eine Steigerung sowohl durch CO2als auch durch Wasserstreß. Bei den destruktiven Ernten zeigte sich für nahezu alle Parameter eine Förderung auf dem Cambisolgegenüber dem Tschernosem. Die Ursache hierfür kann in der Bewässerung gelegen haben, da den Pflanzen auf dem Cambisol über dieGießmenge absolut mehr Wasser zur Verfügung gestellt wurde. Erhöhtes CO2 bewirkte im Saisonmittel eine Förderung der pflanzlichen Photosynthese. Der prozentuale Gewinn verringerte sich mitfortschreitendem Pflanzenalter bei gleichzeitiger guter Bewässerung, wohingegen der stärkste relative Zuwachs bei gleichzeitigemWassermangel am letzten Meßtermin auftrat. Die stomatäre Leitfähigkeit war durch CO2 an allen drei Terminen reduziert (guteBewässerung) bzw. an den beiden ersten Terminen (schlechte Bewässerung). Die Wassernutzungseffizienz (WUE) der Photosynthese warunter hohem CO2 gesteigert. Wassermangel reduzierte die Photosynthese erst am letzten Meßtermin deutlich. Die stomatäre Leitfähigkeitverschlechterte sich unter Umgebungsluft mit der Zeit. Unter erhöhtem CO2 war dieser Einfluß der Bewässerung nicht eindeutig gegeben. Die WUE war durch Wassermangel unter Umgebungsluft zunächst reduziert, später gefördert. Unter hohem CO2 war die Situation genauumgekehrt. Die A/ci-Kurven zeigten sowohl unter erhöhtem CO2 als auch unter Wassermangel eine Reduktion der Photosynthese beihohen internen CO2-Konzentrationen. Die WUE der Biomasseproduktion war bei hohem CO2 und bei Wassermangel verbessert. Dabeiwar in 1999 die Verbesserung bei Wasserstreß sehr viel ausgeprägter als in 1998. Der Grund hierfür dürfte in der unterschiedlichen Artund Weise liegen, in der die Pflanzen gestreßt wurden (moderater Dauerstreß 1998 bzw. periodisch auftretende, sich verschärfendeTrockenperioden 1999). Human activities caused an increase in the concentration of atmospheric greenhouse gases. The most important one is carbon dioxide(CO2), which affects the growth of plants both directly and indirectly. Climate models predict changes in the spatial and temporal distributionof precipitation as a consequence of atmospheric CO2-enrichment. The aim of the present study was to examine the consequences ofelevated CO2 and drought stress on plant growth and gas exchange. Furthermore, in one of two experimental growing seasons theinfluence of two different soil types (a cambisol and a chernosem) on plant growth was determined. Spring wheat (Triticum aestivum L. cv. Minaret) was grown in open-top-chambers at two different CO2-concentrations (ambient air andelevated: 650 µmol mol-1 in 1998 and 693 µmol mol-1 in 1999). Two different watering treatments (well watered and drought stressed) wereused. Drought stressed plants got approximately half as much water as the well watered ones in 1998. In 1999 three drought cycles wereapplied during the growing season. At the end of each cycle the soil water content had fallen nearly to zero. Biomass and yield weredetermined destructively, while canopy development, senescence, and light interception were determined non-destructively over the wholegrowing season. Furthermore, gas exchange measurements, including A/ci-curves, were done in 1999. Wheat crop phenology was not influenced by elevated CO2, while drought stress resulted in an earlier harvest time in 1999. Lightinterception increased under elevated CO2 and leaf area index showed a tendency to increase. Drought stress reduced both parameters.The data of the SPAD measurements showed a decline of flag leaf chlorophyll content under elevated CO2 and under insufficient irrigationlate in the growing season, when the ripening process took place. Total shoot biomass was increased under elevated CO2 in 1998. This positive effect was more pronounced in the drought stressed plants.In 1999 at only two of four harvests CO2 enhanced total shoot biomass. In contrast to 1998, this effect was more pronounced inwell wateredplants. In both years, drought stress reduced total shoot biomass. Grain yield was increased by elevated CO2 in 1998 and in 1999. Again this beneficial effect was more pronounced under drought stress in1998, and under well watered conditions in 1999. Low water supply led to a decline of grain yield in both years. Both, grain number andthousand-grain-weight, contributed to changes of grain yield due to CO2 enrichment in 1998 and 1999. As a consequence of the changesof total shoot biomass and grain yield, the harvest index was increased due to elevated CO2 only in the well watered treatment in 1998,whereas it was reduced in the drought stressed plants. In contrast, an enhancement due to CO2 enrichment and drought stress could beobserved in 1999. Nearly all yield and biomass components were increased on the cambisol, compared with the chernosem. This may be attributed to thewatering regime, since the plants growing on the cambisol got a higher amount of water in total. Under elevated CO2 net photosynthesis was increased on average across all measuring dates. The proportional profit became smaller forolder plants under well watered conditions, while under drought stress the highest proportional effect took place at the last measurementdate, i.e. when the plants were oldest. Stomatal conductance was reduced due to elevated CO2 at all three measuring dates (well watered)or at the first and second date (drought stressed). Water-use efficiency (WUE) of photosynthesis increased under elevated CO2. Droughtstress led to a decline of photosynthesis at the last measuring date. Stomatal conductance became smaller with time under ambient air. Under elevated CO2 this was not obvious. WUE was reduced by drought stress at ambient air at the beginning of the growing season, whilelater on an enhancement was observed. CO2 enrichment increased WUE. The A/ci-curves showed a reduction of photosynthesis at highinternal CO2 under drought stress as well as under elevated CO2. WUE of biomass production increased under elevated CO2 and drought stress. In 1999 this increase was much more pronounced. Thismay be attributed to the different manner of drought stress application (slight but continuous stress in 1998, periodical stress until completedrought in 1999).