Abteilung Bodenkunde

„Potenziale zur Förderung der Wassernutzungseffizienz und der Trockenstresstoleranz landwirtschaftlicher Kulturpflanzen durch verbesserte Düngemanagementsysteme unter besonderer Berücksichtigung physiko-chemischer Prozesse im Boden“

Aktuelle Klimamodelle sagen voraus, dass Häufigkeit und Dauer von Dürre- und Hitzeperioden in vielen Regionen zunehmen mehr... und damit einen negativen Effekt auf die landwirtschaftlichen Hauptkulturen und folglich die Nahrungssicherheit haben werden. Der Anteil an verfügbarem Wasser im Boden und die Wassernutzungseffizienz der Ackerkulturen sind hierbei zwei Parameter, die eine Schlüsselfunktion bei der Ertragssteuerung haben. Daher ist das Ziel dieses Projekts, die Rolle der Kaliumernährung bei der Dürretoleranz von landwirtschaftlichen Kulturen zu beleuchten. Dazu werden verschiedene Kalium(K)-Versorgungsraten in Pflanzenküvetten, Gewächshäusern und unter Feldbedingungen auf die Fragestellung hin überprüft, wie eine optimierte K-Versorgung mit Dürrestress-Toleranz zusammenhängt. Besonderheit des Projektes ist die parallele Analyse sowohl von pflanzenphysiologischen als auch von bodenphysikalischen Parametern. Diese Kopplung der Bereiche Pflanzenernährung und Bodenkunde wird das Verständnis und die Vorhersagemöglichkeiten im Hinblick auf die positiven Effekt von K-Düngern im Rahmen der Photosynthese, Wasserbedarf von Marktfrüchten sowie der Bodenstruktur in der Rhizosphäre und im Gesamtboden erheblich verbessern.
Die Arbeitsgruppe zur Pflanzenernährung in Göttingen betrachtet dabei den Einfluss des K-Gehaltes im Boden auf die Photosynthese (genauer die Hell- und Dunkelreationenszentren der Photosynthese), die Transpiration (des Einzelblattes und des Bestandes), den Transport von Photosyntheseprodukten von Quell- zu Senkenorganen und die hormonelle Signalgebung zur Stomataöffnung. Dazu wird ein multi-sensing-Ansatz für Trockenstress und K-Mangel entwickelt, bei dem nicht-invasive Methoden für die Erfassung und Diagnose von Pflanzenstress Rückschlüsse auf das Management erlauben.
Die Arbeitsgruppe zur Bodenkunde in Kiel befasst sich dagegen mit der Rolle der K-Versorgung bei entscheidenden bodenphysikalischen Parametern (Porengeometrie und ihre Rolle für die Wasserinfiltration sowie Wasserhaltekapazität), welche den Anteil an pflanzenverfügbarem Wasser unter Wasser-limitierenden Bedingungen erhöhen können. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Analyse der Strategien von Wurzeln zur Reorganisierung der Bodenaggregate in der Rhizosphäre. Dies kann in Wechselwirkung mit Düngeranwendung und resultierenden Ionenflüssen einen deutlichen Effekt auf die mikroskalige Bodenstabilität haben, die mit Hilfe der Rheometrie erfasst wird.
Ein zentraler Part des Projektes sind Bodenmonolithe, die in beiden Arbeitsgruppen genutzt werden, um die Veränderungen sowohl im Boden als auch in den Pflanzen in verschiedenen Vegetationsstadien auf lang- und kurzfristige Sicht zu determinieren. Neben Versuchen auf Laborebene, mit denen eine größere Varianz der K-Versorgungsstufen erreicht werden kann, ermöglichen kombinierte Versuche mit bepflanzten Bodencontainern die Ableitung praktisch relevanter Managementstrategien.
Das Hauptziel ist daher die Verbesserung und Anwendung der wissenschaftlichen Erkenntnisse aus dieser interdisziplinären Zusammenarbeit um spezifische Empfehlungen, Strategien und Lösungen zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung bei sich veränderndem Klima und einer wachsenden Bevölkerung zu generieren.

Potentials for the improvement of water use efficiency and drought tolerance of agricultural crops with the help of adjusted fertilization management in due consideration of physico-chemical processes in the soil“

Abstract
Recent climate models predict that incidences and duration of drought and heat stress periods will increase in many regions, negatively affecting our major crops and thus food security. Available water content in soil and the efficiency of water use by crop plants are two parameters that play a key role in controlling yield of arable crops in water limited areas. In this context, this project aims to improve the understanding of the role of potassium (K) nutrition on drought tolerance of arable crops associated with production of arable crops in semi-arid ecosystems. Potassium management with a wide-range of different K supply rates will be tested in plant cuvettes, greenhouse, and over seasons in the field focusing on the question how drought tolerance relates to optimized K nutrition. This project will allow to do parallel measurements of plant physiological parameters and soil physical properties at the same time. Coupled research in the fields of plant nutrition and soils science will improve our understanding and prediction abilities with regard to the beneficial effect of K fertilizers on the machinery of photosynthesis, water demand of crop plants, and soil structure both in the rhizosphere and in the bulk soil. In this context
• The plant nutrition group in Göttingen aims to test how photosynthesis (light and dark reaction centers of photosynthesis), transpiration (leaf, and canopy level), transport of photosynthetic products from source to sink organs, and hormonal signaling on stomatal closure will be affected by K content of soil. 
• The soil science group in Kiel aim to test the role of K supply on key soil parameters (pore geometry and its role on water infiltration and soil water holding capacity) that may enhance available water content under water-limited conditions. A key factor in this context is the analysis of the strategies of roots to especially rearrange (self-organize) the rhizospherical soil aggregation (Young 2012). In combination with the interaction with fertilizer application and resulting ion fluxes it may also have a substantial effect for microscale soil strength as it may amplify the self-organization of the structured soils
Research in plant nutrition aims to validate the model of Farquhar et al., (1989) for quantification of parameters that regulate WUE. Second aim of the plant nutrition sub-project is to initialize the development of a multi-sensing approach for drought stress and K deficiency. Here, we aim to use fast, non-destructive methods for detection and diagnosis of stress to allow effective management responses. As a central part of the entire project, soil monoliths will be used for both groups in order to determine the developments in the soil as well as the overall plant and soil characteristics at different relevant stages of the vegetation period to allow for the detection of both short-term as well as long-term alterations.
The major goal is to improve and apply our fundamental scientific understanding, developed through interdisciplinary research to generate specific recommendations, strategies, and solutions to sustain food security in changing climate and growing population. Besides laboratory approaches under defined conditions, that enable us to test for a variety of K supply levels as well as plant and soil specifications, combined studies with planted soil containers will provide an excellent foundation to deduce proper recommendations for the practical application of the gained knowledge.

Projektträger:       K+S Kali-GmbH
Bearbeiter:           Pia Heibach