Das funktionelle Ionom einer Pflanze beschreibt ihre elementare Zusammensetzung hinsichtlich der essentiellen Pflanzennährstoffe. Funktionelle Ionome von Pflanzen werden durch Umweltfaktoren, einschließlich Nährstoffmangel und Wasserversorgung, beeinflusst und sind artenspezifisch. Dies ist auf die artenspezifische Aufnahme, Speicherung und Remobilisierung von Nährstoffen zurückzuführen. Die Charakterisierung funktioneller Ionome bildet die Grundlage für diagnostische Anwendungen in der Jugendentwicklung der Pflanzen, sowohl im Pflanzenbau als auch in der Pflanzenzüchtung. Obwohl kürzlich für einige Kulturarten funktionelle Ionome für spezifische Nährstoffmängel etabliert wurden, ist wenig über die Auswirkung von zeitgleichem Trockenstress bekannt. Diese Wissenslücke ist zunehmend relevant, da der Einsatz von Mineraldüngern in der Pflanzenproduktion zunehmend beschränkt wird und durch den Klimawandel häufiger Trockenperioden auftreten. Es wurden noch keine diagnostischen Ionome von Roggen (Secale cereale L.) charakterisiert, obwohl Roggen häufig auf Böden mit geringer Verfügbarkeit von Wasser und von Nährstoffen, wie Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K), angebaut wird. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, diese Lücken zu schließen. In diesem Projekt werden für Roggen erstmals diagnostische Ionome für die Nährstoffmängel N, P und K unter gegensätzlicher Wasserversorgung definiert. Durch chemische Analysen einzelner Pflanzenorgane und die hochauflösende, räumliche Quantifizierung von Nährstoffen in verschiedenen Blattgeweben wird unser Verständnis über die zugrundeliegenden Prozesse, die zu charakteristischen Ionomen führen, grundlegend erweitert. Dafür werden zunächst Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen durchgeführt. Die Grundlagenkenntnisse werden anschließend unter Feldbedingungen validiert. Es wurden vier Dauerfeldversuche auf der Thyrower Versuchsstation der Humboldt-Universität zu Berlin identifiziert, in denen durch jahrzehntelange differenzierte Düngung spezifische Nährstoffmängel induziert wurden. Die vier Dauerfeldversuche können durch gemeinsame Prüfglieder versuchsübergreifend statistisch ausgewertet werden. Neben chemischen Pflanzenanalysen sind in den Feldversuchen detaillierte Bodenuntersuchungen geplant. Dies ermöglichet die Validierung der neu etablierten diagnostischen Ionome mit und ohne begleitenden Trockenstress. Zusammenfassend wird dieses Projekt unser Grundlagenverständnis hinsichtlich der Aufnahme, Speicherung und Remobilisierung von Nährstoffen unter verschiedenen Umweltbedingungen anhand einer unterforschten aber zukunftsrelevanten Kulturart erweitern. Die neu gewonnenen, mechanistischen Erkenntnisse werden anschließend validiert und bilden somit eine solide Grundlage für Anwendungen im Pflanzenbau und in der Pflanzenzüchtung.
Wasserverfügbarkeit als Basis allen Lebens ändert sich in Raum und Zeit, besonders in der heutigen und zukünftigen anthropogen beeinflussten Umwelt. Gegenwärtig verhindern spezifische Wissenslücken ein vollständiges mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen von Pflanzenwurzeln, Bodenmikroben und bodenhydraulischen Eigenschaften. Um diese Wissenslücken zu schließen, vereint dieses Vorhaben komplementäre Expertisen dreier Teams, die die Interaktion zwischen Bodentextur, Pflanzenwurzeln und Arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMP) und deren Konsequenz für die Stressantwort von Pflanzen (Tomaten) unter Bodentrockenheit untersuchen. Das Projekt setzt sich aus drei eng verknüpften Arbeitspaketen (AP) zusammen. AP1 untersucht, wie AMP (i) die Photosynthese, (ii) die bodenhydraulischen Eigenschaften auf makroskopischer und der Porenskala beeinflussen und (iii) wie AMP Bodenwasser und Bodenphosphor für Pflanzen mobilisieren. Hierfür werden Synchrotron Röntgencomputertomografie und stabile (Deuterium), sowie radioaktive (Tritium, 32P, 33P) Isotopentechniken entlang eines Bodentextur- und Bodenfeuchtegradienten eingesetzt. In AP2 wird ein vollautomatisiertes Druckkammersystem eingesetzt, um die Beziehung zwischen Transpiration und Xylemwasserpotential in intakten Pflanzen entlang eines Bodenfeuchtegradienten in verschiedenen Texturen zu untersuchen. Zusätzlich werden Isotopenmarkierungen von Kohlenstoff (13C) und mobilem Stickstoff (15NO3-) kombiniert, um zu verstehen wie Ressourcenflüsse zwischen Pflanzen und Böden unter Trockenheit durch AMP beeinflusst werden. Um räumliche Abhängigkeiten des Ressourcenaustauschs in der Symbiose zu untersuchen, werden Neutronenradiografie mit 13C Markierungen kombiniert und in Pflanzversuchen eingesetzt, um zu zeigen in welcher Weise Pflanzen ihren Kohlenstoff zur Wasserakquise unterirdisch verteilen. Dies erfolgt in Pflanzsystemen, die eine heterogene Texturverteilung im Boden bereitstellen. AP3 nutzt die Daten der vorherigen APs um ein AMP-Infektionsmodul für funktional-strukturelle Pflanzenmodelle zu entwickeln, das die Einflüsse vom AMP auf Wachstum und Wurzelarchitektur quantifizieren kann. Weiterhin werden Pflanzenwasser- und Nährstoffaufnahme modelliert. Die Wasser- und Nährstoffflüsse im System werden als dynamische Größen quantifiziert unter der Berücksichtigung von Feedbacks zwischen Wurzeln, AMP und bodenhydraulischen Eigenschaften. Basierend auf diesen Modellen wird die Kohlenstoffinvestition von Pflanzen zur Ressourcenakquise durch Wurzeln und AMP bilanziert. Dieses Projekt wird unser mechanistisches Verständnis stärken, in welcher Weise die kosmopolitisch auftretenden AMP zur Pflanzentrockentoleranz in verschiedenen Bodentexturen beitragen können.
Angesichts der sich verschärfenden globalen Klimakrise besteht dringender Handlungsbedarf die Ursachen des Klimawandels zu bekämpfen und zu mindern. Da die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) wesentlich zur globalen Erderwärmung beitragen, müssen sich alle Anstrengungen auf deren Vermeidung und Verminderung konzentrieren. Außerdem könnte die zusätzliche Bindung von Kohlenstoff (C) in Böden und Baumbiomasse/Holz ein wirksames Instrument für den Klimaschutz sein. Deutschland ist bestrebt, durch verschiedene Minderungsmaßnahmen bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Es gibt bereits belastbare Hinweise, dass Agroforstsysteme (AFS) die N2O- und/oder CO2-Emissionen reduzieren und so den Carbonfootprint verringern können. Dies ist vor allem auf die Erhöhung der unter- und oberirdische Biomasse durch Anpflanzung von Gehölzen und Gehölzen und der dazugehörigen Vegetation zurückzuführen ist. Darüber hinaus werden die THG-Emissionen stark von den mikroklimatischen Bedingungen und dem Wasser- und Nährstoffkreislauf beeinflusst. AFS zeichnen sich insbesondere durch ein hohes Maß an kleinräumiger Heterogenität aus. Bislang gibt es jedoch keine systematischen Erkenntnisse über das quantitative THG-Reduktions- und C-Sequestrierungspotenzial von AFS und über deren räumlich-zeitliche Variabilität. Dies ist teilweise auf methodische Beschränkungen zurückzuführen, wenn es um umfassende Analysen des gesamten Systems geht, einschließlich der Kulturpflanzen- und Baumreihen. Daher konzentriert sich dieses Projekt auf umfassende Messungen der räumlich-zeitlichen Muster der THG-Emissionen und der C-Dynamik in AFS, um die zugrundeliegenden Prozesse und Treiber besser zu verstehen und zu ermitteln, wie AFS wirksam zur Verringerung der THG-Emissionen beitragen und möglicherweise die C-Sequestrierung in der gemäßigten Klimazone verbessern können. Die angewandten Messtechniken beinhalten: i) mikrometeorologische Sensornetzwerke, (ii) halbautomatische geschlossene Kammersysteme zur Bestimmung der tageszeitlichen CO2-, CH4-, N2O- und ET-Flüsse (enge Verknüpfung von SP1 und 2), iii) Isotopenansätze und iv) Methoden zur Bestimmung des Netto-Ökosystem-Kohlenstoffbudgets und Bodenkohlenstoff-Stabilisierungsmechanismen. Die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Parametern, die sich auf THG-Emissionen, Kohlenstoffdynamik und die Integration von Bäumen beziehen, werden untersucht, um Modellparameter für Upscaling und Szenarioanalysen abzuleiten. Um diese Ziele zu erreichen, werden im Projekt folgende Arbeitspakete behandelt: WP1) Einfluss von AFS auf die räumlich-zeitliche Dynamik der THG-Flüsse, WP2) Einfluss von AFS auf das C-Sequestrierungspotenzial und WP3) Interaktion von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreisläufen in AFS. Die Arbeiten finden an zwei verschiedenen Standorten (in Hessen, Gladbacherhof und in Brandenburg, Großmutz) statt, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse unter verschiedenen pedoklimatischen Bedingungen zu bewerten und zu validieren.
In dem vorliegenden Projekt soll untersucht werden, wie und in welchem Ausmaß landwirtschaftlich genutzte Bodenverbesserungsmittel in Form von superabsorbierenden Polymeren (SAPs) in plastikähnliche, feste Rückstände (SAP-SR) umgewandelt werden können und dabei grundlegende, physikochemische Bodeneigenschaften modulieren. Da die primären Anwendungsziele von SAPs in erster Linie der Optimierung des Wasserhaltevermögens, der hydraulischen Leitfähigkeit sowie der mechanischen Bodenstabilität dienen, wollen wir untersuchen und verstehen, wie die Alterung bzw. potenzielle Umwandlung von SAPs in SAP-SR diese Eigenschaften und Prozesse nachhaltig verändern. Somit ließe sich nachvollziehen und klären, ob der ursprüngliche Zweck von SAPs und ihre typischerweise angeführten Vorteile trotz ihrer Alterung oder Umwandlung weiterhin erhalten bleiben, dauerhaft reduziert oder sogar ins Negative umgekehrt werden. Zur Beantwortung dieser Fragen werden gezielte Experimente zum Abbau- und Umwandlungspotenzial verschiedener, gängiger synthetischer SAPs unter verschiedenen Inkubationsbedingungen und in unterschiedlichen Böden durchgeführt. Gleichzeitig werden die damit einhergehenden Änderungen grundlegender physikochemischer Bodeneigenschaften erfasst und mit relevanten Abbau- und Umwandlungsprozessen der SAPs verknüpft. Das notwendige Wissen und die geeigneten Techniken werden aus früheren und derzeit laufenden Projekten gewonnen, die sich mit dem Beitrag von synthetischen und Biopolymeren auf die Bodeneigenschaften und -funktionen beschäftigen. Im Rahmen des Projekts werden wir bereits etablierte Methoden wie ein- (1D-), zwei- (2D-) dimensionale und Feldgradienten- (PFG-) 1H NMR-Relaxometrie, Rheometrie, Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Pyrolyse-GC-MS (Pyr-GC-MS) und verschiedene bildgebende Verfahren (Elektronenmikroskopie (ESEM) und Röntgen-Mikrotomographie (µCT)) anwenden. Sobald geklärt wurde, wie und unter welchen Bedingungen SAP-SR-Strukturen gebildet und welche ihrer ursprünglichen physikochemischen Eigenschaften grundlegend geändert werden, sollen die damit einhergenden Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Rhizosphären-Dynamik in kontrollierten Gewächshausexperimenten qualitativ und quantitativ erfasst werden. Die Ergebnisse des Projekts werden somit Aussagen über das langfristige Verhalten, den Verbleib und die Wirksamkeit von SAPs auf der Grundlage veränderter Bodenprozesse und bodenphysikochemischer Eigenschaften ermöglichen.
Optimierung der Wassernutzungseffizienz (WUE) von Nutzpflanzen bleibt ein vorrangiges Ziel moderner landwirtschaftlicher Praktiken. Unser derzeitiges Verständnis der Pflanzenreaktionen auf Bewässerung konzentriert sich überwiegend auf stationäre Bedingungen. Jüngste Studien unter Feldbedingungen haben jedoch faszinierende Unterschiede in der Produktivität bestimmter Mais- (Zea mays) und Tomaten- (Solanum lycopersicum) Sorten bei Bewässerung zu unterschiedlichen Tageszeiten aufgedeckt und das Konzept der periodischen Bewässerung aufgezeigt. Trotz der anerkannten Rolle der Spaltöffnungsbewegungen bei der Regulierung der WUE und des Ertrags von Pflanzen bleibt deren spezifische Beteiligung an der Koordinierung von Reaktionen auf periodische Bewässerung unerforscht. Daher scheint es vielversprechend, die komplexe Regulierung der Spaltöffnungsbewegungen als Reaktion auf Bewässerung bei Morgengrauen und Dämmerung zu untersuchen, um die WUE in Nutzpflanzen erheblich zu verbessern. Meine vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Bewässerung bei Dämmerung im Vergleich zu Morgengrauen die WUE von Arabidopsis thaliana Pflanzen verbessert, während Gene, die an der Schließung der Spaltöffnungen beteiligt sind, zu dieser Zeit das höchste Expressionsniveau aufweisen. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Auswirkungen von Bewässerung bei Morgengrauen und Dämmerung auf die Regulierung der Spaltöffnungsbewegungen zu verstehen, indem i) der Einfluss von Bewässerung bei Morgengrauen und Dämmerung auf die Genexpression in Schließzellen bestimmt wird, ii) die ABA-Antwort in einzelnen Schließzellen von Pflanzen, die periodisch bewässert wurden, überwacht wird; iii) die Aktivität und Verfügbarkeit von SLAC1 und SLAH3 in bei Morgengrauen und Dämmerung bewässerten Pflanzen verglichen wird. Die erwarteten Ergebnisse dieses Projekts sollen unser Verständnis der zeitlichen Dynamik, die den Spaltöffnungsreaktionen auf Schwankungen in der Wasserverfügbarkeit zugrunde liegt, erweitern. Darüber hinaus haben die praktischen Erkenntnisse aus dieser Untersuchung das Potenzial, landwirtschaftliche Programme zur Optimierung der WUE in Nutzpflanzen voranzutreiben und somit nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken zu fördern.
Das Bodengefüge von Acker- und Grünlandflächen muss im Sinne des Erhalts der natürlichen Bodenfunktionen vor schädlichen Verdichtungen geschützt werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, gefügeschonende Bewirtschaftungsverfahren zu entwickeln und zur Anwendung zu bringen. Das LfULG führt zu diesem Zweck verschiedene Forschungsvorhaben durch. Gleichzeitig wurde für Landwirtschafts-betriebe ein computergestütztes Werkzeug zur Einschätzung der Einwirkungen von landwirtschaftlicher Technik auf das Bodengefüge im Sinne des vorsorgenden Bodenschutzes entwickelt.
Sowohl in Produktionspflanzenbeständen als auch in den Selektionsparzellen der Züchter reagieren die wachsenden Pflanzen aufgrund ihrer morphologischen und physiologischen Anpassungsfähigkeiten kontinuierlich auf das von den Nachbarpflanzen geschaffene Mikroklima. Diese Anpassungsfähigkeit, auch als phänotypische Plastizität bezeichnet, ist für die Ressourcenaufnahme und die Leistung einzelner Pflanzen im Bestand von wesentlicher Bedeutung. Die phänotypische Plastizität kann jedoch die Konkurrenz zwischen Pflanzen fördern und so die Gesamtproduktivität des Bestandes beeinträchtigen. Experimentelle Methoden zur quantitativen Untersuchung der Auswirkungen der Pflanzen-Pflanzen-Interaktionen auf die Produktivität der Einzelpflanze und des Bestandes mit physiologisch interpretierbaren Parametern sind bis heute erstaunlich selten. In diesem Projekt werden wir die neusten Entwicklungen in der Phänomik mit einem 3D-Modellierungsansatz verbinden, um die Strategien der phänotypischen Plastizität für Pflanzen-Pflanzen-Interaktion und ihre funktionalen Auswirkungen auf die Produktivität des Bestandes zu verstehen. Insgesamt 228 Genotypen von Winterweizen werden untersucht, um sieben Haupthypothesen zu testen, welche sich auf die Auswirkung der plastischen Anpassungsfähigkeiten von Blatt-, Halm- und Wurzelmerkmalen auf die Ressourcenaufnahme, die Leistungsfähigkeit des einzelnen Genotyps im heterogenen Bestand und die Gesamtproduktivität des Bestandes beziehen. Mit einer genomweiten Assoziationsstudie sollen Genomregionen identifiziert werden, die für die plastische oder invariante Reaktion eines Merkmals auf Umweltschwankungen verantwortlich sind. Dazu wird ein mechanistisches funktional-strukturelles Pflanzenmodell (FSPM) aufgebaut, um die dynamischen morpho- physiologischen Anpassungen von Blättern, Stängeln und Wurzeln auf das Mikroklima im Bestand zu integrieren. Mit dem FSPM werden groß angelegte virtuelle Experimente durchgeführt, um die idealen Strategien zur Minimierung der Pflanzen-Pflanzen-Konkurrenz und Maximierung der Produktivität des Bestandes unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu identifizieren. Darüber hinaus stellen wir ein theoretisches Rahmenwerk (TR) auf, mit dem die Leistung eines Genotyps in einem homogenen Bestand aus der Leistung dieses Genotyps im heterogenen Bestand und seiner Konkurrenzfähigkeit geschätzt werden kann. Es wird erwartet, dass es mit Hilfe des FSPM und TR gelingt, die Beziehungen zwischen biologischer Diversität und Produktivität von Pflanzenbeständen, die Umsetzungsmöglichkeiten auf der Ebene landwirtschaftlicher Systeme (z. B. Sortenmischung) und eine mögliche Beeinträchtigung des Selektionserfolgs durch die Pflanzen-Pflanzen-Konkurrenz besser zu verstehen.
EDELNASS fokussiert auf die stoffliche Verwertung von Aufwüchsen von wiedervernässten Moor-Grünland, welches heterogen in der Artenzusammensetzung ist und oft Bewirtschaftungseinschränkungen unterliegt (z.B. Erntezeitpunkt). Biomasse und ihre Standortparameter von 5 Moorstandorten in ganz Deutschland werden analysiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in 2 Verwertungsverfahren untersucht, getestet und bewertet: (i) Umwandlung in Bioraffinerien zu den biobasierten, hochwertigen Basischemikalien HMF und Furfural und der Optimierung der Verfahren an der Universität Hohenheim. Ebenso wird Lignin als weiteres Produkt hergestellt. Das HMF kann zur Herstellung des recyclebaren, biobasierten Hochleistungskunststoff PEF weiterverarbeitet werden, woraus die Hochschule Albstadt-Sigmaringen nachhaltige Verpackungslösungen entwickelt, (ii) Das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie stellt zusammen mit seinen Partnern Faserstoffe aus der Biomasse her und verarbeiten diese weiter zu Papieren und Fasergussformteilen. Kopplungspotentiale von Stoffströmen der Rohstofffraktionen zwischen den Verfahren untersucht, indem Zwischen- und Nebenprodukte der Verfahren in die jeweils anderen Prozesse eingespeist werden. Ziel der Untersuchungen ist es, neue Wertschöpfungsketten auf der Grundlage von Nasswiesen-Bewirtschaftung zu entwickeln, die eine produktive Nutzung von Nassgrünland mit dem Erreichen von Naturschutz- und Klimaschutzzielen verbindet. Für eine zukünftige Honorierung von Ökosystemdienstleistungen vernässter Moore werden Datengrundlagen erstellt: CO2-Bilanz der Verfahren und möglicher Produkte (inkl. bodenbürtiger Emissionen), Entwicklung von Artenvielfalt und Wasserqualität. Die Kosten von der Rohstoffbereitstellung bis zum Endprodukt werden analysiert, um geeignete Betriebsmodelle für die einzelnen Verfahren abzuleiten und beispielhaft in Moorregionen zu projektieren.
EDELNASS fokussiert auf die stoffliche Verwertung von Aufwüchsen von wiedervernässten Moor-Grünland, welches heterogen in der Artenzusammensetzung ist und oft Bewirtschaftungseinschränkungen unterliegt (z.B. Erntezeitpunkt). Biomasse und ihre Standortparameter von 5 Moorstandorten in ganz Deutschland werden analysiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in 2 Verwertungsverfahren untersucht, getestet und bewertet: (i) Umwandlung in Bioraffinerien zu den biobasierten, hochwertigen Basischemikalien HMF und Furfural und der Optimierung der Verfahren an der Universität Hohenheim. Ebenso wird Lignin als weiteres Produkt hergestellt. Das HMF kann zur Herstellung des recyclebaren, biobasierten Hochleistungskunststoff PEF weiterverarbeitet werden, woraus die Hochschule Albstadt-Sigmaringen nachhaltige Verpackungslösungen entwickelt, (ii) Das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie stellt zusammen mit seinen Partnern Faserstoffe aus der Biomasse her und verarbeiten diese weiter zu Papieren und Fasergussformteilen. Kopplungspotentiale von Stoffströmen der Rohstofffraktionen zwischen den Verfahren untersucht, indem Zwischen- und Nebenprodukte der Verfahren in die jeweils anderen Prozesse eingespeist werden. Ziel der Untersuchungen ist es, neue Wertschöpfungsketten auf der Grundlage von Nasswiesen-Bewirtschaftung zu entwickeln, die eine produktive Nutzung von Nassgrünland mit dem Erreichen von Naturschutz- und Klimaschutzzielen verbindet. Für eine zukünftige Honorierung von Ökosystemdienstleistungen vernässter Moore werden Datengrundlagen erstellt: CO2-Bilanz der Verfahren und möglicher Produkte (inkl. bodenbürtiger Emissionen), Entwicklung von Artenvielfalt und Wasserqualität. Die Kosten von der Rohstoffbereitstellung bis zum Endprodukt werden analysiert, um geeignete Betriebsmodelle für die einzelnen Verfahren abzuleiten und beispielhaft in Moorregionen zu projektieren.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 611 |
| Europa | 22 |
| Kommune | 5 |
| Land | 55 |
| Weitere | 7 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 247 |
| Zivilgesellschaft | 15 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 609 |
| Text | 24 |
| Umweltprüfung | 1 |
| unbekannt | 5 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 24 |
| Offen | 611 |
| Unbekannt | 4 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 605 |
| Englisch | 189 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 2 |
| Dokument | 20 |
| Keine | 310 |
| Unbekannt | 3 |
| Webseite | 313 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 494 |
| Lebewesen und Lebensräume | 639 |
| Luft | 347 |
| Mensch und Umwelt | 639 |
| Wasser | 343 |
| Weitere | 634 |