Wirkungen erhöhter CO2- und/oder Ozonkonzentrationen auf den Ertrag und die Qualität landwirtschaftlicher Nutzpflanzen - Högy, Petra; Justus Liebig University Giessen (My University, 2002)
Sommerweizen (Triticum aestivum L. cv. Minaret), Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. Alexis) und Kartoffeln (Solanum tuberosumL. cv. Bintje) wurden in open-top Kammern (OTC) oder in einem kammerlosen Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) mitverschiedenen CO2-Konzentrationen (380, 550 und 680 µl l-1 CO2) und Ozonkonzentrationen (Umgebungs-Ozon und 60 nl l-1 Ozon) inKombination mit zwei Stickstoffversorgungsstufen (Weizen: 270 bzw. 300 und 150 kg N ha-1, Gerste: 140 und 80 kg N h-1) exponiert. DieBestandesentwicklung, die oberirdische Biomasseproduktion, der Ertrag und die verwertungsspezifische Ertragsqualität wurdenuntersucht, um die potenziellen Folgen dieser Bestandteile des Globalen Wandels auf wichtige landwirtschaftliche Nutzpflanzenabzuschätzen. Erhöhtes CO2 minderte 1998 bei Kartoffelpflanzen den Wasserverbrauch des Bestandes, verbesserte die Stickstoffnutzungseffizienz undreduzierte die Pflanzenhöhe, Ozon verursachte keinen Effekt. Bei Sommerweizen konnten unter erhöhtem CO2 eine vermehrte Allokationvon Stärke, löslichen Kohlenhydraten und Saccharose beziehungsweise eine Entwicklungsbeschleunigung während der Kornfüllungbeobachtet werden. Die phänologische Entwicklung der Kartoffeln schien dagegen durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst, allerdings deutetedie höhere Anzahl seneszenter Blätter zum Ende der Vegetationsperiode und der frühere Blattchlorophyllabbau auf eine beschleunigteSeneszenz 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 (Weizen38,5 %, Gerste 27,9 %) in der Exposition mit 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit hoher Stickstoffversorgung durch vermehrte Ausbildung vonSeitentrieben. Der Ernte-Index blieb weitgehend unverändert. Obwohl eine niedrigere Stickstoffversorgung die CO2-Antwort derGetreidearten offensichtlich limitierte, konnten Interaktionen von CO2 und Stickstoff nur vereinzelt festgestellt werden. Die oberirdischeBiomasse und der Ertrag von Kartoffelpflanzen hingegen reagierten nur gering auf erhöhtes CO2. Während der industrielle Ertrag durcherhöhtes 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 keinenweiteren Ertragsanstieg. Erhöhtes Ozon verursachte bei Kartoffelpflanzen trotz der massiven sichtbaren Blattschäden keinen eindeutigenErtragsverlust. Der maximale Knollenertrag wurde unter 680 µl l-1 CO2 in Kombination mit erhöhtem Ozon erreicht, so dass tendenzielldurch Ozon auftretende Verluste durch erhöhtes CO2 kompensiert wurden. Obwohl das Tausendkorngewicht, der Vollgersteanteil und die Keimfähigkeit durch erhöhtes CO2 unbeeinflusst erschienen, wurde dieKornqualität durch kleinere Körner (Siebsortierung) reduziert. Die optische Qualität (schorfige, deformierte und grüne Knollen) und diephysikalische Qualität (spezifisches Gewicht, Unterwassergewicht und Glasigkeit) blieben unter erhöhtem CO2 und Ozon überwiegendunbeeinflusst, 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 dieserAnalysen 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 vermindertedie Ertragsqualität durch Anstieg der Stärkekonzentration und Abnahme der Mineralstoffkonzentration (N, S, Zn, P, Fe, Mg, Ca) undAminosäurekonzentration bei Sommerweizen und durch Reduktion der Ascorbatkonzentration in Kartoffeln. Erhöhtes Ozon verbesserte dieKnollenqualität durch Zunahme der Mineralstoff- (N, S, Zn) und Proteinkonzentration, reduziert jedoch, im Gegensatz zu erhöhtem CO2, dieKnollenqualität durch Anstieg der Aminosäurekonzentration. Die Brauqualität der Sommergerste wurde in Form verringerter Proteingehalte unter erhöhtem CO2 verbessert, bei Sommerweizen undKartoffeln bedeutete dies jedoch eine Verschlechterung der Ertragsqualität, die nur teilweise durch eine höhere Stickstoffversorgungkompensiert werden konnte. Unabhängig von der Stickstoffversorgung erreichte die Proteinkonzentration - besonders für Glutelin - beiSommerweizen unter erhöhtem CO2 nicht den für eine ausreichende Backqualität notwendigen Schwellenwert.

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 differentnitrogen supplies, respectively (wheat: 270/300 and 150 kg N ha-1, barley: 140 and 80 kg N h-1). Canopy development, abovegroundbiomass, yield and commercial yield quality were analysed in order to assess potential effects of these global change components oncrops 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 andsucrose, 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 anda faster degradation of leaf chlorophyll indicated an acceleration of senescence. Elevated ozone levels caused earlier tuber induction andenhanced leaf senescence. The largest increases in aboveground biomass among the tested species due to CO2 enrichment at 680 µl l-1 CO2 were observed incereals (wheat 42,0 %, barley 37,7 % at high N supply). This held also for yield (wheat 38,5 %, barley 27,9 %) and was caused byincreased tillering. Harvest index, however, was not affected. At low N supply, CO2 enrichment effect was lower. However, significantinteractions between CO2 level and N supply were detected only on few occasions. Aboveground biomass and tuber yield of potato weremuch less responsive to CO2 enrichment than the cereals. Potato yield of the largest tuber fraction was unaffected by CO2, whereas totalyield 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 potatoyield in spite of severe leaf injuries. CO2 enrichment appeared to compensate for tuber yield loss due to ozone, since the largest tuber yieldwas 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 andgermination were not affected. Optical tuber quality (occurrence of common scab, malformation of tubers and green tubers) and thephysical quality (specific gravity, underwater weight and waxy tubers) remained unchanged due to CO2 and ozone. However, CO2enrichment 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 alterationsof yield quality in a future world. Glucose and fructose contents in potato tubers were reduced both by CO2 and O3 which meant an increasein 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 tuberquality 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, inthese species high protein content is desirable. Therefore, CO2 enrichment depressed yield quality in these species. This effect could notfully be compensated by increased N supply. At any level of N supply, CO2 enrichment led to the reduction of protein concentration in wheatgrains, in particular with respect to gluten, to values below that sufficient for the baking quality of flour.
Keywords: ddc:570