Verminderung von Stickstoff-Bilanzüberschüssenin der Landwirtschaft durch Einsatz

Stickstoff-effizienter Sorten“Beitrag der Pflanzenzüchtung”

Walter J. Horst und Gunda Schulte auf’m Erley

T. Behrens, M. Kamh, A. Ulas, F. Wiesler, M. Worku

Institut für Pflanzenernährung, Universität Hannover, Herrenhäuser Straße 2, D 30419 Hannover

N-effiziente Genotypen

Verringerung von Bilanzüberschüssen

Extensivierung PflanzenbaulicheMaßnahmen

Düngetechnik

Düngerform

genaue Ermittlung des N-Düngebedarfs

Definition genotypische Stickstoff-EffizienzStickstoffeffizienz ist die Fähigkeit eines Genotypen, bei begrenztem N-Angebot einen Ertrag (Korn, Frischmasse, Zucker, Protein) zu erzielen, der das Mittel der Population übersteigt.

Ertrag

Häu

figke

it

begrenztes N-Angebot unbegrenztes N-Angebot

optimales N-Angebotfür N-effiziente

Genotypen

Mittel der "Standard"populationen

Genotypen mit hoherErtragskapazität undhoher N-Effizienz

Genotypen mit hoher N-Effizienz

Genotypen mit hoherErtragskapazität

Kulturartspezifische N-Bilanz

„ausgeglichen“Getreide, Zuckerrübe

„unausgeglichen“Feldgemüse, Raps, Silomais

Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse bei gleichen Erträgen:• erhöhte Nutzung des N-Angebotes (N-Aufnahmeeffizienz)• erhöhter N-Ernteindex (N-Nutzungseffizienz)• verminderte N-Düngung (N-Nutzungs- und -Aufnahmeeffizienz)

N-DüngungN-Düngung N-AbfuhrN-Abfuhr

N-Ernterück-ständeN-Nach-

lieferung N-Ernterück-stände

N-Nach-lieferung Nmin-Rest

Nmin NminNmin-RestN-Auswaschung

Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse:

erhöhte Nutzung des N-Angebotes (N-Aufnahmeeffizienz)

erhöhteN-Aufnahme

N-Abfuhrbei erhöhtemErtrag

N-Düngung

NminNmin-Rest

N-Nach-lieferung N-Ernterück-

stände

ausgeglicheneBilanz

N-Auswaschung

Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse:

erhöhter N-Harvestindex (N-Nutzungseffizienz)

erhöhte N-Abfuhrbei gleichem Ertrag

N-Düngung

ausgeglicheneBilanzN-Nach-

lieferung N-Ernterück-stände

NminNmin-Rest

N-Auswaschung

Ansätze zur Verminderung kulturartspezifischer N-Überschüsse:

verminderte N-Düngung (N-Nutzungs- und -Aufnahmeeffizienz)

reduzierteN-Düngung

N-Abfuhr bei gleichem Ertrag

negativeBilanz

N-Nach-lieferung

N-Ernterück-stände

Nmin

Nmin-Rest

N-Auswaschung

Mais Zea mays

Genotypische Unterschiede in der Stickstoff-Effizienz von Europäischem Mais.Bedeutung der Aufnahmeeffizienz. Presterl et al., 2002

(Presterl et al., 2002)

CIMMYT

Blattseneszenz nach der Blüte ist mit dem Kornertrag von Mais-Genotypen bei ertragsbegrenzendem N-Angebot korreliert.

Feldversuch Zimbabwe. Worku et al., 2005

Mean grain yield (t/ha)

0 1 2 3 4 5 6

Lea

f sen

esce

nce

scor

e

3

4

5

6

7C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16

R2 = 0.48***

Chlorophyllverlust alter Blätter induziert durch Stickstoffmangel. Genotypische Unterschiede bei Mais in „stay green“

Nährlösungsversuch

24 26 28 30 32 34 36 38

SPA

D lo

ss

-10

0

10

20

30

40

50C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16

*

ns

ns

*

****

*

A

Leaf-5Leaf-5

Die Wurzellängendichte in tieferen Bodenschichten zur weiblichen Blütevon 10 Mais-Hybriden ist mit der Nitratverarmung dieser Bodenschichten

korreliert. Wiesler and Horst, 1994

Root-length density [cm cm-3

]

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8

Soil nitrate-N depletion June - October [kg N ha-1

]

0

20

40

60

80

100

120

0 -30 cm r = 0.4030 - 60 cm

r = 0.84**

60 - 90 cm r = 0.84**

90 - 120 cm120 - 150 cm

Niedrige Nitrat-N Reste im Boden nach der Ernte von 10 Mais-Hybridenführen zu geringerer Nitrat-N Auswaschung in der vegetationsfreien Zeit.

Wiesler and Horst, 1993.

40 50 60 70 80 90 100

40

50

60

70

80

90

100N

itrat

-N A

usw

asch

ung

[kg

ha

Boden Rest-Nitratgehalt [kg ha-1

]

Schlußfolgerungen Mais:

Genotypische Unterschiede in der Stickstoff-Effizienz bestehen

Für Stickstoff-Effizienz ist eine verzögerte Seneszenz (“staygreen“ ) bedeutend.

Eine dadurch verlängerte Wurzelaktivität besonders im Unterboden ermöglicht eine bessere Nutzung des N-Angebotes des Bodens verminderter Nmin-Rest / verringerte N-Auswaschung.

Raps

Genotypische Unterschiede in der N-Effizienz bei Raps. Möllers et al., 2000

Kornertrag und N-Aufnahme von 2 unterschiedlich N-effizienten Rapssorten. nach Behrens et al. 2002

N fertilization [kg ha-1] 0 223

Apex Capitol Apex Capitol

• Seed yield [t ha-1] 3.4 a 2.6 b 5.0 a 4.9 a

• N uptake [kg ha-1] - Maturity 93 a 68 b 198 a 191 a - Flowering - maturity 33 a - 15 b - 7 a 19 a

0102030405060708090

100

Inte

rcep

ted

radi

atio

n in

gl

obal

rad

iatio

n [%

] Apex Capitol

Beginning of shooting

Beginning of flowering

End of flowering

Maturity

A

N0

0102030405060708090

100

Inte

rcep

ted

radi

atio

n in

gl

obal

rad

iatio

n [%

] Apex Capitol

Beginning of shooting

Beginning of flowering

End of flowering

Maturity

B

N2

Die N-effiziente Sorte Apex hat bei N0 höhere Lichtinterzeption nach der Blüte Ulas und

Wiesler, 2001

Die N-effiziente Sorte Apex hat zum Blühende bei N0 höhere Blatt-Chlorophyll-Gehalte und daher eine höhere Assimilationsleistung.Ulas und Wiesler, 2001

0 20 40 60 80

0

4

8

12

16

20

Leaf chlorophyll [SPAD meter reading]0 20 40 60 80

CO

2-as

sim

ilatio

n ra

te

[µm

ol m

-2 s

-1]

0

4

8

12

16

20

r = 0.73***r = 0.65***

r = 0.74***r = 0.94***

0 kg N/ha 222 kg N/ha

Apex (N-efficient)

Capitol (N-inefficient)

Illustration der Kompartiment-Methode zur Messung von Wurzelwachstums- und N-Aufnahmekapazität von

Pflanzenbeständen im Feld zum Blühzeitpunkt. Kamh et al., 2005

Anion exchange resin

Sand filter

Wurzelwachstum und Nitratverarmung von 2 Rapssorten in den Kompartimenten zum Zeitpunkt der Büte. Kamh et al., 2005

ApexCapitol

Schlußfolgerungen Raps:

Genotypische Unterschiede in der Stickstoff-Effizienz bestehen

Zur N-Effizienz tragen bei:

Hohe Aufnahmekapazität besonders in der reproduktiven Wachstumsphase

Aufrechterhaltung einer grünen Blattfläche in der reproduktiven Phase

Hohe photosynthetische Aktivität der Pflanze in dieser Phase

Höhere Wurzelaktivität besonders im Unterboden

Feldgemüse

Ertrag, Qualität und Nmin-Rest nach der Ernte bei 3 Blumenkohl-Hybriden bei begrenztem (N0) und hohem N-Angebot (N250)Rather et al., 2000

% Class A quality Nmin–Rest 0 – 60 cm

Marine Lindurian LinfordMa Ld Lf Ma Ld Lf

N0 N250

N0

Sortenunterschiede im Ertrag von Weißkohl bei begrenztem (N1) und unbegrenztem N-Angebot (N2)

Sorten

Parel ToughmaCastello Perfecta Lennox Bartolo Bloktor Novator

Kop

f-Fris

chge

wic

ht (k

g Pf

lanz

e-1)

0

1

2

3

4

5N1 N2

116% 71%70%

75%

79%

75%74%

81%

Verteilung von Stickstoff zwischen Kopf und Ernterückständen (N Harvestindex) bei Weißkohlsorten bei begrenztem (N1) und unbegrenztem N-Angebot (N2)

Sorten

Parel ToughmaCastello Perfecta Lennox Bartolo Bloktor Novator

N H

arve

stin

dex

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8N1 N2

Stickstoff-effizienter Ideotypmodifiziert nach Wiesler

„Traditioneller“ Typ N-effizienter Ideotyp

Reduzierter N-Düngerbedarf

Reduzierter N-Bilanzüberschuß

• Hohe N-Aufnahme bis zur Blüte

Hohe N-Aufnahme nach der Blüte•

• Hohe N-Aufnahme bis zur Blüte

Geringe Aufnahme nach der Blüte

Unvollständige N-Verlagerung in das Ernteprodukt

Hoher Düngerbedarf

•

•• Verzögerte N-Verlagerung in das

Ernteprodukt verlängerte Assimilation der Blätter („stay green“, hohe Wurzelaktivität im Unterboden

Anschließend effektive N-Verlagerungin das Ernteprodukt (hoher N-Harvestindex)

•Hohe Bilanzüberschüsse

I

Can less yield more? Is reducing nutrientinput into the environment compatible with

maintaining crop production?

Allen G. Good, Ashok K. Shrawat, Douglas G. Muench

Trends in Plant Sciences 9, 587 (2004)

„We believe that creating crops with enhancednutrient uptake will be one component that will

help us to achieve this goal“

Co-Lokalisation von QTLs für physiologische Merkmale mit agronomischen Merkmalen und bekannten Genen in einer Population von 99 rekombinanten Inzuchtlinien. Gallais und Hirel, 2004

Thanks to:

Franz Wiesler Torsten BehrensGunda Schulte auf‘m Erley

Mahmoud KamhMosisa Worku Abdullah Ulas