Ultraschallemissionen als Wasserstress-Signale an gärtnerischen Kulturpflanzen

Abstract

Wassermangel in vielen Regionen der Erde und stark gestiegene Ansprüche an die Ertragssicherheit sind nur einige Gründe dafür, dass die Wasserversorgung von Kulturpflanzen erneut in den Fokus der Agrarwissenschaften gerückt ist. Aktuelle Themen in diesem Zusammenhang sind die Züchtung trockenstresstoleranter Genotypen, die Entwicklung wassersparender Bewässerungssysteme und die Optimierung der Bewässerungsstrategien.Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Wasserstress-Signale an drei gärtnerischen Kulturpflanzen (Asparagus officinalis, Rosa hybrida und Syringa vulgaris) aufzuspüren und damit Voraussetzungen für eine pflanzenbasierende Bewässerungsstrategie zu entwickeln. Die Untersuchungen nutzten die Erkenntnis, dass Pflanzen auf Wasserstress mit Kavitationen im Xylemsystem reagieren, die mit Hilfe der Ultraschalltechnik registriert werden können. Die Ultraschallmessungen wurden mit einem AMSY4 Ultraschallemissionsmessgerät (Vallen-Systeme GmbH) durchgeführt, das Schallaufzeichnungen von insgesamt 16 Objekten ermöglicht. Als optimaler Messbereich für pflanzenphysiologische Untersuchungen hat sich der Bereich von 100 kHz bis 400 kHz ergeben. Die Untersuchungen wurden mit Pflanzen in Containern durchgeführt, um eine bessere Differenzierung des Wasserangebotes zu erzeugen.Voruntersuchungen zum geeigneten Messort ergaben, dass die UAE-Signalrate in hohem Maße durch die Messposition und damit durch das Alter der Triebe definiert wird. Sowohl bei Flieder als auch bei Rosen konnten die meisten Schallereignisse an jungen Trieben registriert werden. An der Triebbasis bzw. an stark verholzten Trieben wurden deutlich weniger Signale registriert. Auch Blattstiele eignen sich nicht für die Überwachung, vermutlich auf Grund der geringen Kontaktfläche zwischen Blattstiel und Sensor. Bei den ebenfalls geprüften Spargeltrieben ist das Auffinden eines geeigneten Messortes unter anderem wegen der allgemein geringen Schallrate und der in den zwei Versuchsjahren stark unterschiedlichen Ergebnisse nicht gelungen.Der Zusammenhang zwischen dem Wasserangebot im Boden und dem Auftreten von Ultraschallereignissen wurde im Rahmen von Austrocknungsversuchen studiert.Die dabei aufgezeichneten Kavitationsprofile zeigten bei den meisten Objekten einen deutlichen Anstieg der Schallereignisse im Austrocknungsverlauf und ein rasches Absinken nach Bewässerung. Zwischen der Anzahl an Schallereignissen und dem Bodenwasserpotential bestand eine signifikante statistische Beziehung. Auffallend bei diesen Untersuchungen war allerdings die starke Streuung der absoluten Signalraten in den einzelnen Versuchen und zwischen den Wiederholungen eines Versuches.Die im Rahmen der Austrocknungsversuche ebenfalls durchgeführten Messungen des Stamm- und/oder Blattwasserpotentials zeigten ähnliche Verläufe wie die des Bodenwasserpotentials und der täglichen Signalraten. In den ersten drei bis vier Tagen des Austrocknungsversuches verharrten die Wasserpotentiale der Versuchspflanzen auf niedrigem Niveau, um nachfolgend stark anzusteigen und nach Welke und eingeleiteter Bewässerung wieder rasch abzufallen. Entgegen den Erwartungen war diese Beziehung allerdings nicht enger als die zwischen dem Bodenwasserpotential und der Signalrate.Bei den ebenfalls untersuchten Spargelpflanzen konnte kein Zusammenhang zwischen der Wasserversorgung der Pflanzen und der UAE-Signalrate festgestellt werden. Die Signalraten waren entweder sehr niedrig, traten gelegentlich erst bei beginnender Welke auf oder waren zwischen den beiden Versuchsjahren stark unterschiedlich. Eine Ursache für das gegenüber Rosen und Flieder deutlich abweichende Verhalten der Spargelpflanzen konnte nicht identifiziert werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Ultraschallsignale bei Flieder und Rosen eng mit dem Boden- und dem Stammwasserpotential korrespondieren. Wegen ihres nicht invasiven Charakters und der leichten Automatisierbarkeit erschließt die Ultraschallmessung somit neue Möglichkeiten zur Charakterisierung des Wasserhaushaltes sowie der sie beeinflussenden Parameter.Zur Optimierung der Bewässerungssteuerung gärtnerischer Kulturen erscheint diese Methode derzeitig jedoch noch nicht geeignet. Gründe hierfür sind einerseits die nicht erklärbaren, starken Unterschiede der absoluten Signalraten zwischen den einzelnen Messjahren und Messobjekten und die starke Abhängigkeit der Signalrate von der Messposition, dem morphologischen Status des Messortes und Umweltbedingungen wie Tageszeit, Einstrahlung usw.Wegen dieser Abhängigkeiten von externen und internen Faktoren ist es im Rahmen dieser Dissertation auch nicht gelungen, Signalschwellenwerte für geeignete Bewässerungszeitpunkte zu ermitteln. Konzepte, die Bewässerung an den Zeitpunkt des starken Anstiegs der UAE-Signalrate zu knüpfen, eliminieren zwar das Problem der Bewertung von absoluten Signalraten, aber sie liefern keine Vorteile gegenüber der eingeführten und zudem wesentlich kostenextensiveren Messung des Bodenwasserpotentials. Water shortage in many areas of the world and strongly enhanced requirements with regards to yield security are some of the reasons why water supply of agricultural crops is again in the focus of agricultural science. Current topics in this context are the breeding of drought tolerant genotypes, the development of water-saving irrigation systems and the optimization of irrigation strategies.The objective of this thesis was to detect water stress-related signals of three horticultural crops (Asparagus officinalis, Rosa hybrida and Syringa vulgaris) and to develop the basic requirements of crop-based irrigation strategies.The experiments used the knowledge that crops react to water stress with cavitation in the xylem which can be detected by means of ultrasound techniques. Ultrasonic acoustic emission was measured with a digital two channel acoustic emission device (AMSY4, Vallen-Systeme GmbH), which allows sound recordings of up to 16 objects. The optimal metering range for plant-physiological examinations was between 100 kHz and 400 kHz. In order to generate a better differentiation of soil water availability, the experiments were conducted in containers.Initial experiments with regards to the optimal positioning of sensors for conducting the measurements demonstrated that the ultrasound acoustic emission rate is affected to a high degree by the part of the plant and by the age of the shoot. At the stem base and in heavily lignified shoots, respectively, significantly fewer signals were recorded. Petioles are sub-optimal for monitoring, probably due to the small contact area between petiole and sensor. Due to a generally low sound rate and erratic results with asparagus shoots over a two-year period, it was not possible to determine a suitable position for conducting the ultrasonic acoustic emission monitoring.A correlation between the water availability in the soil and the occurrence of ultrasound emission was studied by means of dehydration experiments. The recorded cavitation profiles showed for most of the objects, a clear increase in sound events during the dehydration process and a quick decrease following irrigation. There was a statistically significant relationship between the number of events and the soil water potential. However, the strong variation in absolute signal rates between individual trials and between the replications of an individual trial was remarkable. Geometrical factors such as different contact area of the sensors or position effects are possible explanations of such differences. The measurements of the stem and/or leaf water potentials that were taken during the dehydration trials demonstrated characteristics similar to the measurements of the soil water potential and the associated daily acoustic signal rates. During the first 3-4 days of the dehydration trials, the water potentials of the test plants initially remained at a low level and strongly increased thereafter, but quickly descended after wilting and application of irrigation. In about 50% of the tested objects, there was a strong statistical relationship between the stem water potential and the daily signal rate. However, against all expectations, this relationship was not closer than between soil water potential and the signal rate.With the tested asparagus plants, no relationship between water supply of the plants and the ultrasound signal rate was observed. Either the signal rate was very low, or occurred only sporadically upon initiation of wilting or was very different between the two trial years. Reasons for the deviation in behaviour of the asparagus plants relative to that of rose and lilac could not be identified.In summary, it can be concluded that the cavitation-related ultrasound signals with Syringa vulgaris and Rosa hybrida closely correspond with the soil water potential and the stem water potential. Due to its non-invasive character and the easy automatisation potential, the ultrasound method opens new possibilities to characterize the water balance and those parameters influencing it. However, from a today s perspective, this method does not seem qualified to optimize irrigation management in horticultural crops. All reasons thereto are not clear but include strong differences of absolute signal rates between the individual trial years and the trial objects, the strong dependency of signal rates from measurement position, from the morphological status of measured objects and from environmental conditions such as time of day, radiation etc.Due to the dependencies from external and internal factors, it was not possible to determine absolute thresholds for ultrasound acoustic emission to enable irrigation timings. The concept of linking irrigation with the moment of strong increase of ultrasound signals may eliminate the problem to determine absolute signal rates but does not provide an advantage in comparison with the established and substantially less costly measurements of the soil water potential.