Pflanzenproduktion II (Fach) / Pflanzenbau (Lektion)

Pflanzenbau

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• klimatische Wasserbilanz Differenz aus der Niederschlagssumme und der Summe der potentiellen Verdunstung über Gras
• Acker- und Pflanzenbau: Schaubild Klima/Witterung ↓↑ Züchtung       →           Feldfrucht ← Anbaumaßnahmen ↓↑ Boden ↑ Anbaumaßnahmen
• Pflanzenbau Ackerbau Landwirtschaftliche Primärproduktion auf Acker und Grünland Kausale Zusammenhänge zwischen Wachstum, Entwicklung und Ertragsbildung Management dieser Zusammenhänge   Anbau von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen: Nahrungsmittel, Futter, Rohstoff zur Weiterverarbeitung Ortsgebunden, unterliegt natürlichen Standortbedingungen: Boden Klima/Witterung ökologische Gegebenheiten Exposition des Geländes räumliche Lage
• Geschichtliche Entwicklung der Bodennutzung des Pflanzenbaus Landwechsel ↓                                  ↓→ Wechselwirtschaft ↓ Dreifelderwirtschaft alt: Brache, Winterung, Sommerung neu: Blattfrucht, Halmfrucht, HF ↓ Fruchtwechselwirtschaft einfach: BF-HF-BF-HF einfach: BF-BF-HF-HF ↓ variable Fruchtfolge  
• Wichtigste Fruchtarten nach Anbaufläche weltweit Weizen 15,3% Reis 11% Mais 10% Sojabohne Gerste Sorghum Hirse Baumwolle Raps
• Wichtigste Fruchtarten nach Anbaufläche in Deutschland Weizen 26,7% Gerste 16,4% Hafer 1,8% Roggen 4,6% Mais 3,7% Kartoffeln 2,3% Zuckerrübe 3,5% Zunahme: Weizen, Mais Abnahme: Hafer, Roggen, Kartoffeln, (Zuckerrüben) geringe Veränderungen: Gerste
• Entwicklung der Produktionsfläche und Ertragsfläche Abnahme der Produktionsfläche pro Kopf der bevölkerung Zunahme der Ertragsleistung
• green revolution signifikanter Ertragsanstieg Ursachen: Züchtung & Pflanzenbau Ertragssteigerung bei allen wichtigen Kulturpflanzen Unterschiede zwischen den Kulturpflanzen beim Ertragszuwachs in D größte Ertragssteigerung bei Weizen und Mais; geringe Ertragssteigerungen bei Hafer und Roggen (Anbaubedeutung)
• Ertragsunterschiede räumlich zeitlich (Trend, Variabilität) Fruchtarten Ursachen/Faktoren? Einflussnahme?
• Produktionssituationen: potentieller, realisierbarer und erzielter Ertrag potentiell: bestimmende Faktoren: CO2 Strahlung Temperatur Pflanzencharakteristika: Physiologie, Phänologie, Bodenbedeckung realisierbar: Wasser- und/oder Nährstofflimitiert; Produktionssituation bestimmende Faktoren + limitierende Faktoren: Wasser Nährstoffe: Stickstoff, Phosphor erzielter Ertrag: bestimmende Faktoren + limitierende Faktoren + reduzierende Faktoren: Unkräuter Schädlinge Krankheiten Kontaminationen
• Wachstumskurve: Phasen exponentiell, Hauptwachstum, Seneszenz(ab Tag 200) Wachstum und Entwicklung sind sehr eng miteinander verbunden  
• Wachstumsprozesse Lichtinterzeption Photosynthese Atmung Assimilatverteilung Organwachstum: Blätter, Stengel, Wurzeln, Samen Wasser- und Nährstoffaufnahme Stressreaktionen Entwicklung: Zeit steuert Wachstumsprozesse
• Ernteindex (harvest index) Blattflächenindex Anteil des Ernteprodukts an der Gesamtbiomasse (Korn/Gesamtbiomasse bei Getreide); Kornertrag/Gesamtbiomasse    BFI: Blattfläche pro Bodenoberfläche; Blattfläche/Bodenoberfläche  
• Ertragskomponenten Getreide Ertrag[dt/ha] = Ähren/m²•Kornzahl/Ähren•TKG[g]                                      10.000
• Anbaufaktoren: abiotische Faktoren biotische Faktoren abiotische Faktoren: Licht Temperatur CO2 Wasser Nährstoffe Umweltverschmutzung (Ozon,..) biotische Faktoren: Krankheiten Schaderreger Unkräuter
• Licht/Strahlung: Globalstrahlung Strahlungsbilanz Solarstrahlung, die an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche insgesamt eintrifft direkte Strahlung + diffuse Strahlung
• Licht/Strahlung: Lichtwirkung an Pflanzen qualitativ: Physiologischer Effekt: Entwicklung (photoperiodische Reaktion) Chlorophyllsynthese Lichtabhängige Samenkeimung Triebbildung (Bestockung bei Getreide) quantitativ: Phsiologischer Effekt: Photosynthese und Wachstum (Lichtkompensationspunkt) (Lichtsättigung) ..
• Licht/Strahlung: induktive Wirkung, Tageslänge qualitativ, absolut: Pflanzen benötigen jeweils Idealbedingungen, d.h. vollständige KT- bzw. LT-Bedingungen (5-11h/Tag) für die Blühinduktion quantitativ: Pflanzen benötigen für Blühinduktion umso mehr Tage mit KT-/LT-Bedingungen je größer die Abweichung von den Normalbedingungen ist tagesneutrale: Pflanzenarten verhalten sich gegenüber KT und LT indifferent
• Temperatur: direkte und indirekte Wirkungen direkt: Entwicklungsrate: induktive Wirkung (Vernalisation) Wachstumsrate Grenzwerte (Schäden durch Kälte, Hitze) stoffliche Zusammensetzung .. indirekt: Wasserhaushalt/Transpiration Artenverteilung Konkurrenz (Unkrautvegetation) Zahl der Ernten pro Jahr ..
• Entwicklung Wachstum Ontogenese Phänologie Lebenszyklus Entwicklungsstadien Entwicklungsphasen (kontinuierliche Veränderung in Form und Funktion): Morphogenese = Entwicklung der Form und Struktur Differenzierung = Entwicklung von Zellen/Gewebe von einem weniger spezialisierten in einen stärker spezialisierten Zustand ) Größenzunahme eines Organismus Entwicklung des einzelnen Lebewesens wissenschaftliche Untersuchung von periodisch auftretenden biologischen Phänomenen (z.B. Blüte): Mikro-&Makrophänologie Gang der Entwicklung eines Lebewesens Stufen der Entwicklung Abschnitte zwischen Entwicklungsstufen
• Lebenszyklus: welche "Varianten" gibt es? einjährige Pflanzen (Sommergetreide) zweijährige Pflanzen (Zuckerrüben, Wintergetreide) mehrjährige Pflanzen (Luzerne, Wein) monokarp (einmalige Blüte/Früchte, z.B. Getreide) polykarp (mehrmalige Blüte/Früchte, z.B. Luzerne) Determinate (gleichmäßge Abreife, z.B. Getreide) Indeterminate (ungleichmäßige Abreife, z.B. Baumwolle)
• Entwicklungsphasen: welche "Formen" gibt es? vegetativ (Wachstumsvorgänge bis zur Ausbildung der Blüte, ungeschlechtlich) generativ (geschlechtliche Entwicklung)
• Anwendungen Pflanzenbau Terminisierung von Anbaumaßnahmen: N-Düngung Einsatz von Wachstumsregulatoren Krankheitsbefall und -behandlung ... Entwicklungsmanipulation (Gartenbau) Forschung: Indikator (Klimawandel) Modellierung/Simulation ...
• Entwicklungsskalen, makrophänologisch (Getreide) Bestockung Schossen Ährenschieben Blüte Reife
• Entwicklungsstadien (Weizen): Halmheber = Internodium Koleoptile - Bestockungsknoten Positionierung des Bestockungsknoten in der Nähe der Erdoberfläche Bildung bei Tiefen >30mm Wachstum bis 100mm
• Einflussfaktoren auf Entwicklung genetisches Material Umwelt: Temperatur Tageslänge Vernalisation Stress (N, H2O) CO2 Management: Saattermin Sortenwahl Düngung, Bewässerung Wachstumshormone
• Einflussfaktoren: Beispiele für quantitative LT-Pflanzen qualitative LT-Pflanzen quantitative KT-Pflanzen qualitative KT-Pflanzen tagneutrale Pflanzen Roggen, Weizen, Gerste, Hafer Zuckerrüben, Spinat, Mohn Mais, Reis, Baumwolle Soja Gurken, Bohnen, Tomaten 
• Vernalisation Induktion morphopogischer Differenzierung (generative Entwicklung) durch Kälteeinwirkung wirkt am effektivsten bei Temperaturen zwischen 3-5°C Kulturpflanzenarten und Sorten unterscheiden sich hinsichtlich ihres Vernalisationsbedarfs
• Saatzeitpunkt Frühsaaten (Ende September, Anfang Oktober): Vorteil: Bestellung der Saat in gutem, trockenen Zustand, damit schneller und zügiger Aufgang Reduzierung der Saatmenge und damit Saatgutkosten Nachteil: zu starke Bestockung → hohe Bestandesdichte → unregelmäßiges Abreifen → schlechte Ausbildung des Korns Spätsaaten (Ende Oktober, November): Vorteil: geringe Krankheits- und Beikrautbelastung im Herbst → geringer Pflanzenschutzmitteleinsatz Nachteil: Sortenwahl, höhere Saatmenge und Anbautechnik sind den Umständen entsprechend anzupassen, Ertragsverlust
• Bedeutung von Speicherstoffen Speicherstoffe in reifen Pflanzenorganen (Bspe.) Stärke im Endosperm des Getreides und andere Gräser oder in Karoffelknollen Pflanzenöle in Samen von Raps, Lein, Sonnenblume Saccharose in Zuckerrohr oder Zuckerrübe Inulin in der Topinamburknolle agronomisch interessante intermediäre Speicherstoffe (Bspe) Saccharose in Maisstängeln und Zuckerrohr für Translokation in die Fruchtstände Chloroplastenstärke in Blättern dikotyler Pflanzen Stärke in spezialisierten Spross- und Wurzelorganen Fruktosane im Halm und in Blattscheiden von Getreide
• Faktoren, die die Kornbildung beeinflussen generell: Anlage und Erhaltung der Korninitialen Dauer und Intensität der photosynthetischen CO2-Fixierung Effizienz der Umsetzung des organisch gebundenen Kohlenstoffs in vegetativen Organen in Kornmasse Teilprozesse: Akkumulation von C und N in intermediären Speichern Phloembeladung Phloementladung Transport in das Endosperm Stärkesynthese im Korn Wirkung der um Assimilate konkurrierenden Sinks Energiebereitstellung für anabolische und katabolische Prozesse ⇒ Respiration externe Faktoren: Sorte Standort- und Bewirtschaftungseinfluss sowie Schädlinge und Krankheiten
• Funktionen der Assimilatspeicher in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen Unterstützung des Wachstums neuer Organe (junge "skins") Einsparung von Energie für die Neubildung von Organen durch Umverteilung bereits assimilierter Stoffe aus älteren Organen ("sources") Überbrückung von Phasen schwieriger Umweltbedingungen durch Bereitstellung von C- und N-Verbindungen ersatzweise für reduziertes Assimilatangebot (Photosynthese) während Trockenheit, Hitze Zwischenspeicherung: während Kälteperioden/Überwinterung in vegetativen Organen (z.B. Zuckerrübe, Kartoffeln) und generativen Organen (z.B. Getreide); keine Samenkeimung ohne Zwischenspeicher! Beförderung des Wiederaufwuchses nach Entfernung der oberirdischen Biomasse (Kohlenhydrate in Gräsern nach Entblätterung durch Mahd auf Grünland und im Feldfutterbau)
• Translokation in der Ertragsbildung durch "sink" bzw. "source" limitiert Entwicklung der Ertragskomponenten steht in Beziehung zur "sink capacity" (artspezifisch) verschieden "sinks" innerhalb der Pflanze konkurrieren um Assimilate Verteilung der Assimilate in die "sinks" hängt u.a. ab vom phänologischen Stadium Phasen der vegetativen und generative Entwicklung können sich überlappen (z.B. Körnerleguminosen) - Schwierigkeit der Manipulation der Investition in generative Ertragskomponenten geht in der Regel eine Investition in vegetative Masse voraus (Bedeutung der Blattfläche!) Lebensdauer der assimilierenden Planzenoberfläche ist häufig begrenzend für "source capacity", gelegentlich ist diese auch im Überschuss vorhanden (z.B. Erbsensorten: leafless; semi-leafless) 
• Zusammenfassung I landwirtschaftliche Kulturpflanzen nutzen nicht nur die aktuell gebildeten sondern auch die zwischengelagerten Assimilate für die Ausbildung der Ertragsorgane in den Gräsern des gemäßigt humiden Klimas dienen wasserlösliche Kohlenhydrate (Fruktane vom Phlein-Typ) als Zwischenspeicher, in anderen Pflanzen (Löwenzahn z.B.) sind dies Kohlenhydrate des Inulin-Typs  in Getreide sind Halm und Blattscheide die wichtigsten Speicherorgane. In Gräsern des Graslandes, in denen nur vegetative Organe geerntet werden, werden Kohlenhydrate und N-Verbindungen aus Wurzeln und Stoppeln in den wachsenden Spross transloziert die Menge der zwischengespeicherten Kohlenhydrate hängt bei Getreide vom Genotyp und den Umweltbedingungen ab  je ungünstiger die Umweltbedingungen für das Erreichen der maximalen Photosyntheserate, desto höher der relative Beitrag der zwischengelagerten Kohlenhydrate je größer der "sink"(Kornzahl &-größe), desto höher der absolute Beitrag der Reservekohlenhydrate zur Kornfüllung: Eine Erhöhung des Ertrags erscheint dadurch möglich 
• Bedeutung des Wassers für die Pflanze Grundsubstanz für biochemische Vorgänge: Lösungsmittel für Salze, org. Stoffe, Gase; Quellungsmittel für Kolloide, speziell Eiweiß Transportmittel für Nährstoffe und Syntheseprodukte Mittel zur Aufrechterhaltung des Tugordrucks (Gewebespannung, Form der Pflanze, Stomataregulierung) Baustein der organischen Substanz: Molekül H2O (Bestandteil vieler Stoffe) H aus Wasserspaltung Temperaturregulierung durch Verdunstung erfolgt Wärmeabgabe  
• Zusammensetzung pflanzlicher Trockenmasse Kohlenstoff 44-49% Sauerstoff 42-46% Wasserstoff 5-7% mineralische Elemente 5-10%
• Wasser in der Pflanze das Wasserpotential (ψ).. ist definiert als das chemische Potential von H2O in einem Mischsystem, bezogen auf den Standardzustand, dividiert durch das partielle Molarvolumen von H2O oder auch: das Wasserpotential bezeichnet die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um eine gegeben Menge Wasser von einem Ort zu einem anderen zu transportieren, im Vgl. zur Arbeit, die für denselben Transport von freiem, reinem Wasser   benötigt wird. Das Potential freien reinen Wassers wird = 0 gesetzt Wasser tendiert immer dazu, sich von Orten mit hohem ψ zu Orten mit niedrigem ψ zu bewegen
• Wasserpotential in der Zelle ΨZelle = Ψπ + Ψc + Ψp Ψπ = osmotisches Potential Ψc = Matrixpotential Ψp = Druckpotential Dimension: -I MPa = -10bar
• Transpiration Evaporation Evapotranspiration Abgabe von gasförmigen Wasser durch oberirdische Organe der Pflanzen an die Atmosphäre; physiologisch regulierte Verdunstung  kutikuläre Transpiration: 5-10%, stomatäre Transpiration 90-95% langsamer Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes (Boden) gasförmige Wasserabgabe eines Pflanzenbestandes an die Atmosphäre, bestehend aus der Evaporation des Bodens und der Transpiration der Pflanzen
• Transpirationskoeffizient beschreibt das Verhältnis von verbrauchter Wassermenge pro Einheit gebildeter Trockenmasse i.d.R. wird dieser Wert auf die TM der für die Ernährung geernteten Teile bezogen so bleibt z.B. bei Getreide, Zuckerrüben und Kartoffeln das Stroh sowie Kraut und Wurzel unberücksichtigt
• Porengrößenverteilung im Boden Grobporen: Poren mit Durchmesser >30pm können das Wasser (entgegen der Schwerkraft) nicht halten. Sie drainen frei Mittelporen: Poren mit Durchmesser von 0,2-30pm enthalten das pflanzenverfügbare Wasser Feinporen: Poren mit Durchmesser <0,2pm enthalten Wasser, das nicht pflanzenverfügbar ist 
• Wasser im Boden: Wasserkapazität Feldkapazität permanenter Welkepunkt nutzbare Feldkapazität WK: maximale Menge an Haftwasser, die ein Boden festhalten kann. Porengröße bis 30 μm FK: maximale Menge an Haftwasser, die ein Boden festhalten kann, bezogen auf natürlich gelagerten Boden : Feldkapazität < Wasserkapazität PWP: unterhalb eines Maximalpotentials von -1,5mPa ist Bodenwasser für die meisten Pflanzen nicht mehr verfügbar nFK: pflanzenverfügbares Bodenwasser: nFK = FK - PWP
• Porenvolumen = Teilvolumen des Bodens (%) das mit Luft und Wasser gefüllt ist beträgt bei den meisten landwirtschaftlich genutzten Böden 35-60% gering → viel: Sand, Lehm, Ton, Ton mit hohem Gehalt an org. Material Porenvolumen nimmt i.d.R mit zunehmender Tiefe ab
• Wassergehalt des bodens kann ausgedrückt werden als: Volumenanteil Gewichtsprozent mm oder Vol.% Wassergehalt kein geeignetes Maß für die Pflanzenverfügbarkeit des Bodenwassers (z.B. Porenverteilung verschiedener Böden) gut geeigneter Index: Wasserpotential des Bodens Ψs
• Wasserpotential Ψs= Ψπ + Ψm + Ψp + Ψg  Ψπ = osmotisches Potential (negativ) - gelöste osmotisch wirksame Stoffe Ψm = Matrixpotential (negativ) - adsorptive Kraft der Bodenmatrix Ψp = Druckpotential (positiv) - Druck des freien Wassers oberhalb der Betrachtungsebene Ψg= Gravitationspotential (negativ) - vertikal gerichtete Kraft mit der das Wasser abwärts bewegt wird Ψp und Ψg sind i.d.R. zu vernachlässigen, auch Ψm meist sehr gering Ψs im wesentlichen durch Ψπ bestimmt  da freie Energie von Bodenwasser z.B. durch Kapillarkräfte und gelöste Substanzen erniedrigt wird, hat das Wasserpotentilal des Bodens Ψs immer einen negativen Wert
• Bedeutung von Wasser in Wachstumsprozessen - Eigenschaften, die es Pflanzen gestatten Trockenpasen zu vermeiden oder zu überstehen Vermeidung von Trockenschäden durch: schnelle Entwicklung  Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit durch Vermeidung der Austrocknung (Aufrechterhaltung eines hohen Wasserstatus): Minderung des Wasserverlustes: über hohen stomatären und kutikulären Widerstand > Stomata-Verschluss (in Minuten) über Vermeidung hoher Strahlungsinterzeption über geringe Blattflächenausstattung, Blattbehaarung etc. > Blattrollen (in Stunden) Aufrechterhaltung der Wasseraufnahme: über tiefes Wurzelsystem über hohe Wurzellängendichte über eingeschränktes Ausdehnungswachstum der Blätter und Halme (Stunden) über Blattfall über kleinere Blätter (Tage und Wochen) Erhaltung des Turgor über osmotische Anpassung (K+, Na+, Glu, Fru*, Sa) über hohe Elastizität der Zellwände über geringe Zellgröße > höhere Konzentration löslicher Stoffe Toleranz gegenüber Austrocknung über protoplasmatische Toleranz > Membranen über Zellwandeigenschaften
• die Bedeutung von Wasser in Wachstumsprozessen - produkttechnische Maßnahmen zur Reduzierung von Ertragsverlusten bei limitierender Wasserverfügbarkeit Arten-, Formen-, Sortenwahl Saatzeitpunkt Reduzierung der Bestandesdichte wassersparende Bodenbearbeitung Bodenbearbeitung, die tiefere Durchwurzelung ermöglicht (Tiefgrubber)  Mulchdecke Schwarzbrache Düngung
• Blattflächenindex spezifische Blattfläche Blattflächenverhältnis Nettoassimilationsrate Strahlungsnutzungseffizienz Blattfläche eines Bestandes pro Bodenoberfläche, die vom Bestand verdeckt wird Verhältnis der Blattfläche zur Blatttrockenmasse Verhältnis der Gesamtblattfläche einer Pflanze zur Gesamttrockenmasse der Pflanze. Blattflcähenverhältnis = spezifische Blattfläche • Blattgewichtsverhältnis Zunahme des Pflanzengewichtes je Einheit Blattfläche und Einheit Zeit Verhältnis zwischen der kumulierten Biomasse über einen bestimmten Zeitraum und der dafür gebrauchten Strahlungsmenge
• Photosynthese: Rubisco dafür verantwortlich, dass alle photosynthetisch aktiven Pflanzen und Bakterien Kohlenstoffdioxid aufnehmen können als einleitender Schritt im Calvin-Zyklus kondensiert RuBisCO ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO2) an Ribulose-1,5-bisphosphat die dabei entstehende Verbindung zerfällt in zwei Phosphoglycerat-Moleküle, die weiter zu Kohlenhydraten aufgebaut werden die Energie für diese Reaktionen stammt in Form von ATP aus der Photosynthese, also vom Sonnenlicht Nebenreaktion: Einbau von Sauerstoff
• C4 und CAM-Pflanzen C4-Zyklus vor C3-Zyklus, pumpt CO2 in Scheidenzellenbereich ins Blattinnere CO2-Konzentrierung in Scheidenzellenbereich Unterdrückung der Photorespiration C4-Pflanzen: Eigenschaften: Trockenheit hohe Temperaturen Stickstoffmangel CO2-Mangel Lichtsättigungspunkt von C3-Pflanzen höher als der von C4-Pflanzen Lichtkompensationspunkt ist geringer

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