Landwirtschaft und Umwelt

- Energie: J(Joule), 1 J = 1 Ws,

- Leistung: W(Watt), 1 W = 1 J s^-1,

- Einheit für Strahlung: 1 W m^-2 = 1 J m^-2 s^-1 = 4.6 µmol m-^2 s^-1,

- PAP: Photosynthetically active radation, Einheiten W m^-2 oder PPFD,

- PPFD: Photosynthetic photon flux density, Einheit μmol Photonen m^-2 s^-1,

Photoperiodismus:

- bezeichnet die Abhängigkeit von Wachstum, Entwicklung und Verhalten bei Pflanzen von der Tageslänge (Photoperiode),

- Die minimale Leistungsdichte beträgt hierbei etwa 10^-2 bis hinunter zu 10^-3 W/m²,

– es kann bereits Vollmondlicht (≈ 5 · 10^−3W/m²) wirksam sein,

Langtagspflanzen:

—> mehr als zwölfstündiger Beleuchtung, warten mit Beginn/Intensivierung etwa der Blütenbildung, bis Tageslänge bestimmte Stundenzahl überschreitet,

- Fakultative:

—> Pflanzen wie Roggen, Weizen, Gerste, Hafer, Gräser,

- Obligate:

—> Zuckerrüben, Spinat, Mohn,

Kurztagspflanzen:

—> bis die Tage (tägliche Beleuchtungsdauer) eine bestimmte zeitliche Länge unterschreiten

- Fakultative:

—> Mais, Reis, Zuckerrohr, Baumwolle,

- Obligate:

—> Sojabohnen, Reis,

Tageslängenneutrale:

—> Gurke, Bohnen, Tomate,

- unterschiedliche Lichtintensitäten beziehungsweise-spektren, die als Startschuss für die Keimung dienen,

- Es gibt zwei verschiedene lichtabhängige Keimungsarten:

—> Dunkelkeimer und Lichtkeimer,

Lichtkeimer:

—> haben eine flache Aussaat (Gräser, Senf, Gartenkresse, Karotte)

Dunkelkeimer:

—> haben eine tiefere Aussaat (Ackerbohne, Kürbis, Lupinen, Fuchsschwanz)

Moderne Sorte:

- viele fast vertikale Blätter („erektophil“),

—> Optimierte Lichtinterzeption mit relativ wenig Blattmasse,

Landsorten (traditionelle Sorte):

- viele horizontale Blätter („planophil“),

UV-B Strahlungsüberschuss führt zu:

- weniger Stomata,

- reduzierter Höhe, zurückgehender Größe,

- reduzieter / verringerte Blattflächendichte,

- gekräuselte / sich windende Blätter,

- Kleinere Internodien (blätterlose Abschnitt einer Sprossachse),

- Erhöhte Verwzeiwungsgefahr,

Hitzestress:

- Ein Auftreten von hohen Temperaturen, die zu irreversiblen

Ertragseinbußen führen,

- Negative Ertrags Effekte sind bei Getreidearten am höchsten im Zeitraum, um den Blütezeitpunkt,

- Verschiebung der Phänologie (Wachstums- und Entwicklungsphasen) im Jahr,

—> Zeit des Blühens verändert sich, Ährenschieben finder später statt,

- Temperatursumme = Gesamt (Tagesmitteltemperatur-Basistemperatur),

Vernalisation:

- Definition:

—> Spezifische Förderung des Schossens / der Blütenbildung einer

Pflanze durch eine mehr oder minder lange Kälteperiode (oder Kältebehandlung) im Temperaturbereich von ca.–2 bis +5 °C,

- Physiologische Bedeutung:

—> Verhindert den Beginn der generativen Phase in der für die Pflanze ungünstigen Zeit vor Wintereinbruch,

Stratifikation

- Definition:

—> Kältebehandlung von Samen zur Überwindung der Dormanz und Herstellung der Keimfähigkeit (z.B. bei sommer-annuellen Arten oder Bäumen),

- Physiologische Bedeutung:

—> Verhindert Keimung in der für die Pflanze ungünstigen

Zeit vor Wintereinbruch,

- in der reproduktiven Phase um den Blütezeitpunkt (sensible Phase),

—> Führt zu Denaturierung der Proteine und negative Ertragseffekten,

- Evaporatorative Kühlung,

—> Ausscheidung von Wasser führt Verdampfen von solchem und somit zu einer Absenkung der Umgebungstemperatur,

- Hitzestress führt zu Denaturierung von Proteinen,

—> HSP fördern die Wiederherstellung oder den Abbau von denaturierten Proteinen,

- Zeitpunkt der Blütephase wird verändert (Jahreszeit/ Tageszeit),

—> Blüte vor und nach dem Auftreten von Hitzewellen, Öffnen der Blüte während der kühleren Tageszeit z.B früh morgens,

- Wahl geeigneter Kulturen, Sätermin anpassen, Sortenwahl, Bewässerung, Beschattung,

- Sä-Termin anpassen,

- Sortenwahl / Wahl geeigneter Kulturen,

- Bewässerung,

—> evaportative Kühlung,

- Beschattung / Veränderung des Mikroklimas,

—> Agroforstsysteme,

Kältestress:

—> Ungefähr ab <10°C,

—> Artenabhängig,

—> Membranschäden, Akkumulation von ROS und Ca2+, Anschwellen von Chloroplasten, weniger Stärkekörner, Lipidablagerungen, zelluläre Kälteschäden,

Froststress:

—> Ungefähr ab <0°C,

—> Eisbildung,

—> Eiskristallbildung, Dehydration, Zellkollabation, Zunahme von gelösten Stoffen,

- Eisbindende Proteine:

—> Eiskristallwuchs wird modifiziert,

Frostschutzberegnung:

—> Verhindert Spätfrostschäden im Obst-, Wein- und Gemüsebau, Nutzung der Kristalllisationswärme,

Abdecken:

—> Bei intensiven Kulturen z.B. Feldgemüs, Verlängerung der Vegetationsphase,

Nährstoffaufnahme:

- Wasser kann als polarer Stoff gut Nährstoffe lösen, sodass es von

den Pflanzen aufnehmbar ist (Löslichkeit in Wasser dafür obligatorisch),

—> Zwei Mechanismen der Nährstoffaufnahme:

1. Massenfluss durch Transpiration,

2. Diffusion durch Konzentrationsgradienten,

Photosynthese:

- Lichtenergie, um Wasser zu spalten benötigt,

- Wasser als Elektronenquelle,

Turgor:

- Druck um Zellen aufrecht zu erhalten, sonst schlappe Blätter,

- Hypertonischer, Isotonischer und Hypotonischer Zustand der Vakuole,

Transpiration:

- Nährstofftransport,

- Kühlung,

- Verdampfung von Wasser durch die Stomata der Pflanzen,

Kühlung:

- Anpassungsmechanismus durch Hitzestress,

- Wasser kann als polarer Stoff gut Nährstoffe von einem Salzkristall lösen, sodass gelöste, Anionen und Kationen vorliegen, die von den Pflanzen als Nährstoff aufgenommen werden können, die wieder in zwei Mechanismen erfolgen,

—> Transpiration erzeugt einen Sog, der Nährstoffe in Wurzelnähe in die Pflanze bringt (Massenfluss),

—> Konzentrationsgradient für P, K, N entsteht durch Diffusion,

- Die nutzbare Feldkapazität (nFK) beschreibt den Wasseranteil des Bodens der gegen die Schwerkraft gehalten werden kann und für die Pflanzen verfügbar ist, also den Wassergehalt zwischen dem Welkepunkt und der Feldkapazität in Prozent,

- 0% nFK: die mittelgroßen Poren sind ausgetrocknet, Pflanzen sind nicht mehr in der Lage dem Boden Wasser zu entziehen (Welkepunkt WP),

- 100% nFK: Pflanzenverfügbares Wasser kann in den gefüllten mittleren Bodenporen einige Tage gehalten werden,

- > 100% nFK: Der Boden hat mehr Wasser aufgenommen als er langfristig speichern kann. Überschüssiges Wasser versickert in tiefere Schichten („Totwasser“, da nicht mehr für Pflanzen aufnehmbar),

- Boden kann mehr Wasser aufnehmen als die Feldkapazität angibt,

deshalb liegt der Wertebereich zwischen 0 und (je nach Bodenart) >250 Prozent,

- Wasserpotenzial (Ψ) beschreibt den Energiezustand von Wasser als Druckeinheit (MPa),

- Freies Wasser auf Meereshöhe bei 1013 hPa und 25°C hat ein Wasserpotenzial Ψ = 0 MPa,

- Wasser bewegt sich immer vom höheren zum niedrigeren Wasserpotenzial hin (Gravitationspotenzial),

- Das zu Boden fallende Wasser reichert trockene Böden (Wasserpotential: <-1,5 MPa) mit Wasser an, sodass deren Wasserpotential steigt (-0,1 bis -1,5 MPa). Ist das Wasserpotential innerhalb des Wurzelraumes (-0,3 bis -2 MPa) ausreichend gering, folgt dieses dem Konzentrationsgradienten und wird in die Wurzel aufgenommen. Da das Wasserpotential in den photosynthetisch aktiven Bereichen der Pflanze noch geringer ist (-1,5 bis -3 MPa) folgt das steigt es dem Konzentrationsgradienten entlang in diese Bereiche auf und wird von dort aus wieder an die Atmosphäre (-10 bis < -100 MPa) abgegeben,

—> Ψ-Gradient des feuchten Bodens liegt bei -0,1 bis -1,5 MPa,

—> Ψ-Gradient der Wurzel liegen bei -0,3 bis -2 MPa,

—> Ψ-Gradient der Blätter bei -1,5 bis -3 MPa,

—> Ψ-Gradient der Atmosphäre ist bei -10 bis <-100 MPa,

- Trockenstress entsteht, wenn der Gradient für Wasserpotenzial nicht ausreicht, um Wasser aufzunehmen,

- Wasserspannung ist durch die verschiedene Bodenkörnung verschieden, weshalb auch die nFK und Welkepunkt zwischen Sand,-Schluff,-und Tonböden verschieden sind.

- Permanenter Welkepunkt enthält viel Wasser (über 30%). Trotz dessen kann die Pflanze das Wasser nicht aufnehmen, weil es sich in den Feinporen befindet,

- Sandboden kann gegen die Schwerkraft nur sehr wenig Wasser halten nFK <10%, Schluffboden unter 40% und Tonboden unter 50%,

???

Wurzelarchitektur:

- Tiefe Wurzel mit vielen Wurzelhaaren und Bildung des Aerenchmy fördern die Wasseraufnahme,

—> Aber metabolische Kosten. Konflikt Nährstoff- und Wasseraufnahme,

Sukkulenten:

- Kurzlebige Wurzelmeristeme. Deterministisches Wachstum, Bildung vieler Lateralwurzeln fördern Wasseraufnahme und Erschließung eines größeren Raumes (z.B Kakteen),

Mykorrhiza:

- Symbiose einer höheren Pflanze mit einem Pilz,

—> Vergrößerung der Wurzeloberfläche durch Hyphen,

—> verbesserte Nährstoff- (P) und Wasseraufnahme,

Hydraulischer Lift (biol. Wasserpumpe):

- bei hoher Transpiration am Tag,

- Wurzel hat ein niedrigeres Potential, als der Boden → Wasser bewegt sich in die Pflanze. Durch niedriges Matrixpotential entzieht die Pflanze Wasser dem Unterboden,

Osmotische Anpassung:

- Pflanze akkumuliert osmotisch wirksame Substanzen (Osmolyte) wie Prolin oder Zucken,

—> Diese senken als Schutz der Zelle vor dem osmotischen Druck, das osmotische Potential ab,

Düngung:

- Management gegen Trockenstress,

- Transpiration, Assimilattransport, Wurzelwachstum, Porenvergrößerung,

—> Hohe Wasserspeicherung im Boden, größeres Bodenvolumen,

Photosynthese:

- Pflanzen verlieren durch Gasaustausch viel Wasser,

-> bei Trockenstress suboptimal,

- Anpassung: C4- und CAM Pflanzen,

—> C4: räumliche Trennung der Photosynthese- Teilprozessen,

—>CAM: Zeitliche Trennung in Tag und Nacht der Teilprozesse,

Abscisinsäure (ABA):

- wird bei Trockenstress ausgeschüttet und reguliert Schließung der Stomata, um Transpiration geringer zu halten,

Aquaporine:

- Wasserleifähigkeit der Wurzel. Bis zu 60% des Wassers der Wurzel wird damit symplastisch transportiert. Transportieren auch Nährelemente, sonst Nährstoffmangel und Trockenstress,

- Der hydraulische Lift ist im Prinzip eine biologische Wasserpumpe, die durch die Wurzeln von Pflanzen ermöglicht wird. Hierbei wird Wasser meist aus tieferen und feuchteren Bodenschichten (geringe Nährstoffverfügbarkeit) durch die Wurzel in flachere und trockenere Bodenschichten (hohe Nährstoffverfügbarkeit) transportiert,

- Oft bei Tiefwurzler wie Bäume oder Nutzpflanzen wie C4 Pflanzen,

Isohydrische (hydrostabile) Pflanzen:

- halten den Wassergehalt des Gewebes bei Wassermangel aufrecht,

- starke stomatäre Regulierung,

—> Lupine, Mais, Erbse, Zuckerrohr, Pappel,

Anisohydrischen (hydrolabilen) Pflanzen:

- Verringertes Wasserpotential (ψ) bei Wassermangel,

- keine ausgeprägte stomatäre Regulierung. Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen trotz niedrigem Wasserpotenzial,

—> Gerste, Soja, Klee , Sonnenblume, Weizen, Mandel,

- Die Ackerkrume ist der A-Horizont (ca. 30 cm tief),

—> also der Humusreiche Oberboden,

- Die Bodenfeuchte wird in pF ausgedrückt. Die Werte gehen von

7 (trocken und fest) bis hin zu Minus Unendlich (flüssig und gesättigt),

- Die optimale Bodenbearbeitbarkeit liegt ca. bei pF 4-3,5.

—> Halbfeste, feuchte Böden,

- Wasser und Winderosion tragen Boden ab,

—> Auswehung / Auswaschung Feinboden, organischer Substanz, Abnahme Wasserkapazität, Akkumulation Bodenmaterial mit geringer Qualität,

Ursachen:

- fehlende Vegetation, verdichtete Böden, pflügende Bodenbearbeitung, Hanglage,

Wassererosion:

—> Bodenverschlammung, Wasser kann nicht mehr versickern, fließt ab und nimmt kleine Bodenpartikel mit sich mit,

Winderosion:

—> Bodenpartikel werden durch Wind abgetragen,

- Mechanischer Druck durch das Befahren von (nassen) Böden,

—> durch Radlast und Kontaktflächendruck folgt Bodendruck auf Ackerkrume und Unterboden,

—> Beeinträchtige Speicherung und Leitung von Wasser, Sauerstoff, Nährstoffen,

—> schlechtere Wuchsbedingungen, verminderte Erträg,

Ursachen:

—> Kapillarer Aufstieg, Dünger, Bewässerung,

- Kapillarer Aufstieg, Salz sammelt sich im Boden an und steigt durch den kapillaren Aufstieg mit den Wasser nach oben, wo das gelöstes Salz kristallisiert durch Evaporation/Transpiration,

Folgen:

—> versalzung des Oberbodens, gestörte Nährstoff- und Wasseraufnahme, verlangsamtes Wachstum,

Saurer Regen:

- Durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, Eintrag von Schwefel-

und Salpetersäure,

Stickstoffdüngung:

- Freisetzung von H+ bei Nitrifikation, Ausscheidung von H+

durch Wurzeln bei Aufnahme von NH4+,

- durch Klärreste,

- Ausgangsgestein,

- Industrielle Abwässer,

- Bergbau,

- Düngemittel,

Tiefenlockerung:

- Mechanischer Aufbruch verdichteter Stellen im Unterboden,

- Lockerung unterhalb der Pflugsohle in 60-90cm Tiefe,

- Oft in Verbindung mit Kalkung zur Stabilisierung der Lockerung,

Drainage:

- gezielte Entwässerungsverfahren zur Verhinderung von z.B. Wurzelfäulen,

Kalkung (CaCO3):

- Verbesserung des Bodengefüges, Nährstoffverfügbarkeit und Förderung des Bodenlebens, pH-Effekt,

Gipsen (CASO4):

- Verbesserung des Bodengefüges, kein pH-Effekt,

Entsalzung:

- Entsalzung durch Auswaschung

Biokohle:

- Bindung von organischen und anorganischen Schadstoffen,

—> Wunderwaffe, Verbesserung der Bodenstruktur und Wasserhaltevermögen,

Organische Substanz:

- Biologische Funktion: Energiequelle und Nährstoffquelle,

- Chemische Funktion: KAK, pH-Puffer und Komplexierung von Kationen,

- Physikalische Funktion: Struktur/Stabilität, Wasserhaltevermögen und therm. Eigenschaften,

Mulchen:

- Erosionsschutz,Zufuhr von Nährstoffen,Erhöhung der organischen Substanz,

- Stimulation des Bodenlebens,Verbesserung der hydrologischen Eigenschaften,

- Verbesserung der thermischen Eigenschaften,

- Unterdrückung von Beikräutern,

Phytosanierung:

- Einsatz von Pflanzen zur Beseitigung von Schadstoffen im Boden durch:

--> Extraktion,Stabilisierung,Degradation,Stimulation von Mikroorganismen,Volatilisation,

Pionierpflanzen:

- z.B. (Jatropha curcas -> Wüste),

—> Angepasst an sehr nährstoffarme Böden / marginale Standorte,

—> Sehr trockenstresstolerant,

–-> kommt mit 200 mm Niederschlägen aus, Salzstresstolerant,

—> Eignet sich zur Wiederbegrünung von degradierten Flächen,

- Methan, CH4, GWP = 21-28,

- Kohlenstoffdioxid, CO2, GWP = 1,

- Lachgas, N2O, GWP= 265-310,

- GWP= Global Warming Potential,

—> alle drei haben eine große Bedeutung, Lachgas und Methan nochmal deutlich stärker als CO2,

- Biopolymere wie Proteine und Polysaccharide wie Cellulose werden über Oligomere in Monomere, (z.B. Aminosäuren und Kohlenhydrate) gespalten. Lipide werden hierbei in ihre Komponenten (z.B. Fettsäuren) abgebaut,

- Bakterien vergären diese Spaltprodukte zu einfachen Carbonsäuren und zu Alkoholen,

- Syntrophe, acetogene Bakterien nutzen einen Teil dieser Verbindungen und setzen sie zu Acetat und C1-Verbindungen um,

- Durch die Überflutung kommt es zur Limitierung der Sauerstoffdiffusion,

- Absenkung des Redox-Potenzials,

—> Gute Bedingungen zur Methanbildung,

- Mikroorganismen in der Rhizosphäre der Pflanze produzieren Methan,—> generell beherbergt der Schlamm viele Methan produzierenden Bakterien,

- Methan wird in der Reis Rhizosphäre produziert und oxidiert,

Drei Wege wie Methan aus der Rhizosphäre entweicht:

1. Diffusion aus der Wassersäule,

2. In Form von Bläschen aufsteigend (z.B. durch tierische Aktivität),

3. Wurzeln brauchen Sauerstoff (Kanalausbildung im Stängel): Transport von O2 aus Atmosphäre in die Wurzeln, aber CH4 kann ebenfalls mit austreten,

- Wiederkäuer wie die Kuh haben ein Verdauungssystem aus verschiedenen Mägen,

- Im Magen Pansen: Ansammlung aller Nahrung

--> Bakterien spalten Cellulose auf,

- Kühe ernähren sich von mikrobakteriellem Protein

--> beim Prozess entsteht Methan,

Emissionsminderung:

- Lachgas allgemein hat anthropogene Quellen (Landwirtschaft und Verbrennung von Biomasse) und natürliche Quellen (Gewitter),

- Düngung und Niederschlag spielen wichtige Rollen,

- Lachgas N2O entsteht durch Mineralisierung, Nitrifikation und Ammonifikation von org. N, das z.T. als N2O als Gas aufsteigt,

Einflussfaktoren:

—> Redoxpotential, N-Gehalt, C-Gehalt, Düngung, Management, Bodenart, mikrobielle Aktivität, Temperatur und Wasserhaushalt,

Düngungsrate:

- Bedarfsgerechte Düngung, keine Überdüngung,

Düngerform:

- Ammonium oder Nitrat / mineralisch oder organisch,

Düngungszeitpunkt:

- Versorgung dann, wenn die Pflanze auch N aufnimmt,

Düngerplatzierung:

- Teilflächenspezifische Düngung, platzierte Düngung,

Düngung von Nitrifikationshemmern:

- Nitrifikation von NH4+ -> NO3- mit Teilschritt der Ausgasung von N2O wird verhindert,

- Durch Pflanzen CO2-Fixierung durch Photosynthese und Abgabe von CO2 durch autotrophe Respiration,

- Böden in natürlichen Ökosystems speichern in i.d.R. mehr Kohlenstoff als landwirtschaftlichen Nutzfläche,

—> Kohlenstoffbilanz von Nutzflächen anhängig von Management

- Dauerkulturen,

- Humusmehrende Kulturarten,

- Konservierende Bodenbearbeitung,

- Verbleib von Ernterückständen,

- Geringe Abbauarbeit der Biomasse,

- Stabile Bodenaggregate,

- Änderungen der mittleren Temperatur zwischen 1959-2009 auf +1,5°C,

- Die Phänologie (Entwicklungszeit) von Hafer hat sich verändert (-14 Tage),

- Verschiebung der Phänologie von Winterweizen,

- Temperaturanstieg und Sorteneffekte,

—> Zeit bis zur Reife verkürzt bei steigenden Temperaturen,

- Fehlender Kältereiz insbesondere in wärmen und gemäßigten Klimazonen problematisch,

—> Entwicklungsstadien verschieben sich nach vorne,

Trockenstress:

- Ertragsverluste, Dürremagnituden nehmen zu,

Hitzestress:

- Zunehmende Hitzeperioden im Sommer, Blühphase besonders sensibel,

—> Aber: Veränderten Phänologie und Bestandes Temperatur mildern den Effekt,

Temperatur im Bestand:

- Temperatur im Bestand (Roggen) geringer als in der Umgebungsluft, evaporative Kühlung, größerer Temperatureffekt bei besserer Wasserversorgung

Unwetterschäden (Hagel-, Sturm-und Hochwasserschäden)

Lager von Getreiden

Kälteschäden/Auswinterung

Insekten:

- Höhere Temperatur führt zu erhöhtem Metabolismus und Futterumsatz und zu veränderter Populationsdynamik,

Krankheiten:

- Durch Extremwetter, wärmere Winter, Trockenheit, veränderte Luftfeuchtigkeit, verändertes Niederschlagmuster und durch erhöhte CO2-Konzentration,

Unkräuter:

- Ausbreitung thermophiler und spät auslaufender Beikräute,

- Erhöhte CO2 Konzentration verbessert Erträge teilweise,

- Trend zu erkennen, dass mit steigender Temperatur die Erträge abnehmen,

—> Wirkt sich meist negativ auf Erträge auswirken

- Berücksichtigung des CO2-Effekts:

—> Ertragssteigerung in Nordeuropa und Ertragsminderung in Südeuropa,

Erträge:

- Es sind Ertragssteigerungen über mehrere Arten hinweg zu beobachten, wobei die Effekte bei Vorhandensein anderer Stressoren diesen CO2-Effekt verringern,

- Sorghum (C4-Pflanze) weist geringeren CO2-Effekt auf,

Photosynthese:

- Wenn Nutzpflanzen erhöhten CO2 Konzentrationen ausgesetzt werden, ist eine Erhöhung der Photosyntheserate zu beobachten, welche bei C3-Pflanzen höher ausfällt als bei C4-Pflanzen,

- C3-Pflanzen haben das Enzym RubisCo und C4-Pflanzen haben PEP und zusätzlich eine CO2-Pumpe, weshalb sie einen geringeren Profit an erhöhter CO2-Konentration aufweisen,

—> C3-Pflanzen: Rubisco bindet CO2,

—> C4-Pflanzen: PEP-Carboxylase bindet Bicarbona,

- CO2 hat zwar erst mal einen positiven Effekt auf den Wachstum, aber der Klimawandel nicht (Wetterextreme, Wasserknappheit),

- Erhöhte CO2-Konzentration vermindert die Menge an Nährstoffen, auch Phytat,

- Erhöhte CO2-Konzentration erhöht Kohlenhydratproduktion,

--> Veränderung chemischer Zusammensetzung,

--> auf Kosten der Nährstoffe werden mehr Kohlenhydrate gebild,

- Verminderter N-Konzentration,

—> Höhere Biomasseproduktion bei gleichem N-Angebot, Verdünnungseffekt, Geringere stomatäre Leitfähigkeit führt zu verminderter N-Aufnahme,

—> Verringerter Proteingehalt, verminderte Backqualität von Weizen,

Entstehung:

- Photochemische Entstehung,

- NO2 → (unter UV-Strahlung)→NO + O; O + O2→ (unter UV-Strahlung)→ O3,

Abbau:

O3 + NO → O2 + NO2

Effekt auf Pflanzenwachstum:

- Ozon ist ein Oxidationsmitte,

—> Reduzierte Photosynthese und Oxidativer Stress,

—> Ertragsverluste,

- Ozon ist ein Oxidationsmittel und sorgt für die Bildung freier reaktiver Sauerstoffradikale. Die Pflanze wird oxidativem Stress ausgesetzt,

- Bildung von sichtbaren Symptomen, z.B. braune Flecken auf den Blättern,

- Schließen von Spaltöffnungen,

—> weniger Gasaustausch,

- Reduzierter Pflanzenwachstum in Blättern und Wurzeln,

—> Es reduziert die Photosynthese Leistung und beschleunigt die Blattalterung. Die Pflanze wird außerdem anfälliger für Stressfaktoren wie z.B. den Angriff von Krankheitserregern,

—> weniger Ertrag

- Ozon beeinflusst die Öffnung der Stomata und somit reduziert er den Gas- und Wasseraustausch der Pflanze, welcher unter anderem für die Photosynthese unerlässlich ist,

—> Zelltod, Beschädigt Photosyntheseapparat, reduzierte Biomasse, reduzierter Blattflächenindex

Exklusion:

- Stomataschluss,

—> limitiert auch photosynthetischen Gasaustausch,

Entgiftung:

- ROS-Entgiftung (reaktive Sauerstoffspezies/ Ozon) durch Antioxidantien,

—> Energieaufwand für Synthese von Antioxidantien,

- Sichtbare, marktwertminderne Schäden

—> z.B. Nekrosen bei Blattgemüse oder Chalkiness (Kreidigkeit) bei Reis,

- Erhöhte Proteinkonzentration bei gleichzeitig vermindertem Protein- und Stärkeertrag,

- Erhöhte Kohlenstoffdioxid- und Ozonkonzentrationen in der Atmosphäre tragen als Treibhausgase zum (anthropogenen) Klimawandel bei,

- Höhere Erträge und niedrigerer Proteingehalt bei erhöhtem CO 2,

- Niedrigere Erträge und erhöhter Proteingehalt bei erhöhtem Ozon,

- Kompensationseffekt wenn beides (O2 und Ozon) erhöht vorliegt, komplexe Interaktion von Wachstums- und Stressfaktoren,

- Pflanzen nehmen mineralisiertes Nitrat (NO3-) oder Ammonium (NH4+) auf,

- Bestandteil von Proteinen(Aminosäuren), des Chlorophylls und von Sekundärmetaboliten,

- Atmosphärische Deposition (Nitrat/Ammonium),

- mineralische N-Düngung,

- organische N-Düngung,

- mikrobielle Bindung von gasförmigen N2,

N-Umsetzung:

- Durch Klima (Niederschläge, Temperatur),

- Management (Bodenbearbeitung, Düngung, Fruchtfolge) ,

- Boden (C/N-Verhältnis, Redoxpotential, Bodenorganismen, Bodenart),

- Organisch gebundener N wird mineralisiert (umgekehrt immobilisiert) zu Ammonium, Nitrifiziert zu Nitrat (umgekehrt NO3-Ammonifikation),

- Durch Auswaschung und Ausgasung,

- Ammoniak-Volatilisierung bei hohem pH-Wert,

- N2 und N2O Emission durch Denitrifikation,

- NO3- ist im Gegensatz zu NH4+ im Boden mobil und wird leicht

verlagert,

Nitrifikation:

- Chemotrophe Mikroorganismen gewinnen Energie aus der schrittweisen Oxidation von Ammoniak/Ammonium,

Dentrifikation:

- Mikroorganimen nutzen Nitrat als Elektronenakzeptor für oxidativen

Energiestoffwechsel,

N-Fixirung:

- Mikroorganismen können unter hohem Energieaufwand elementaren N binden in Symbiose mit den Rhizomen der Pflanze,

—> Knöllchenbakterien, Nitrogenasekomplex sehr sauerstoffempfindlich, Schutz durch Leghämoglobin,

Maximale Zufuhr an N berechnen, um Umweltschäden zu verhindern:

1. N-Bedarf verschiedener Ackerkulturen ermitteln (ortsspezifisch)(Erwarteter Ertrag x N-Gehalt),

2. Verfügbares N ermitteln für Nmin zu Beginn der Vegetationsphase und die erwartete Nachlieferung während der Vegetation (Mineralisierung,atmosphärische Desposition),

3. N-Verluste ermitteln in der Nitratauswaschung und durch gasförmige Verluste,

4. Zu düngende Menge ist zu berechnen:

- Gesamtbedarf(Erwarteter Ertrag x Bedarf) - verfügbarer N + N-Verluste = Zu düngende Menge,

- z.B. Gesamtbedarf = 250 kg/ ha; Verfügbares N = 100 kg /ha; Gesamtverluste = 20 kg /ha,

→Zu düngende Menge = 170 kg/ ha (250-100+20),

- In Form von 3.Gaben, eine zu Beginn der Wachstumsphase, Mitte der Wachstumsphase und biologischem Maximum (N-Bedarf der Pflanzen)

Invasive:

- Nmin-Analyse: Probeentnahme zum Vegetationsbeginn,

--> Düngeempfehlung,

Nicht Invasiv:

Blattgrüne als N-Indikator: blassgrün = Stickstoffmangel,

--> Düngung bis dunkler Grünfärbung,

Aus betriebswirtschaftlichen und ökologischen Gründen sinnvoll:

- Nitrifikation kann zu Bodenversauerung führen und ist die Quelle von N-Verlusten,

Methode:

- ‚Düngung‘ von Nitrifikationshemmern,

—> Hemmung des Enzyms Ammonium-Monooxygenase von Nitrosomonas Bakterien,

—> Kommerzieller Einsatz z.B. von Dicyandiamid (DCD) oder 3,4-dimethypyrazolphosphat (DMPP),

- Biological NitrificationInhibition,

—> Ausscheidung von nitrifikationshemmenden Wurzelexsudaten,

—> Beispiel Brachialakton (Brachiariahumidicola),

Pflanze:

- Reproduktion,

—> Samen als Teile des reproduktiven Zyklus,

- Speicherung und Verteilung von Erbinformation,

—> Saatgut kann genetisches Material lange Zeit konservieren und

geographische Verteilung erleichtern,

- Nährstoffreservior für den Keimling,

—> Saatgutreserven liefern Nährstoffe während den ersten Tagen der

Wachstumsphase,

Landwirtschaft:

- Pflanzenproduktion,

—> Saatgut als Produktionsfaktor,

—> Samen sind oft das primäre Produkt,

- Nahrungsmittel/Futter,

—> Kohlehydrate, Öl, Protein,

- Speicherung Erbinformation,

—> In situ und ex situ Konservierung von genetischen Ressourcen,

—> Ressource für die Züchtung,

- Getreidekeim, Innenkörper des Samens, Samenschale, Fruchtschale,

- Oberhaut → äußere Fruchthaut → innere Fruchthaut → eigentliche Samenschale → Samenhaut → Aleuron-Schicht → Getreidekeim → Innenkörper des Samens → Samenschale → Fruchtschale,

Beizung:

- Jedes Verfahren für die Zugabe von Materialien zum Saatgut,

—> z.B Mikronährstoffe und Keimfördere,

Pelletieren:

- Erhöhung der scheinbaren Samengröße und des Gewichts und Änderung der Samenform für mechanische Aussaat,

Vorkeimung:

- Keimung der Samen in belüftetes Wasser bis zum Austritt der Keimwurzel,

Priming:

- Hydratisierung vor der Aussaat zur Verbesserung der Etablierung von Sämlingen,

Biologische Behandlungen:

- Saatgutbehandlung mit nützlichen Mikroorganismen,

—> z.B. Bacillus Komplex zur Kontrolle von Fusarium,

In situ:

- Anbau im Feld (natürliches Umfeld),

—> Vorteile:

Dynamisch, Anpassung an Umweltveränderungen, Erhalt von traditionellem Wissen,

—> Nachteile:

Aufwändig, schwer zu kontrollieren, unsicher, riskant,

Ex situ:

- Genbanken (kalte Konservierung),

- Langfristige Lagerung,

- Sicherungs-Duplikate,

- Regenerierung und Charakterisierung,

- Informationsmanagement,

- Test auf Krankheiten,

- Verteilung,

- Langfristige Lagerung von pflanzlichem Gewebe bei-196°C zur Konservierung genetischer Ressourcen,

—> Großer Aufwand,

—> Flüssiger Stickstoff notwendig,

- Svalbard Global seed vault: Back-up System für Genbanken,

—> gesamte genetische Vielfalt an Nutzpflanzen gespeichert,

—> im Permafrost für weniger Kühlungsaufwand,

International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture:

- Multilaterales System, das Zugang, Teilhabe, Rechte von Landwirten und nachhaltige Nutzung reguliert,

- Seit 2001 in Kraft,

- > 150 Länder,

- Gilt für > 60 Nutzpflanzenarten, die im Annex aufgeführt sind,

- Genbanken teilen Ressourcen auf

- Grundlage eines Standard Material Transfer Agreement (SMTA),

- Bei kommerzieller Nutzung Rückfluss von Gewinnbeteiligungen an das multilaterale System vorgesehen,

Nagoya Protokoll:

- Internationaler Rechtsrahmen, der Zugang, zu allen genetischen Ressourcen regelt, die nicht im ITPGRFA erfasst sind,

- Regelt den Zugang und die Teilhabe an Vorteilen der Nutzung von genetischen Ressourcen und traditionellem Wissen bzgl. deren Nutzung,

- Anreiz für den Erhalt der biologischen Vielfalt in biodiversitätsreichen Herkunftsländern,

- Seit 2010 in Kraft,

- Derzeit von ca. 130 Ländern ratifiziert,

- Für Nutzer Verpflichtung zur Dokumentation der Herkunft genetischer Ressourcen,

- Zuständig in Deutschland: Bundesamt für Naturschutz,

Global Crop Diversity Trust:

- Weltreuhandfonds für Kulturpflanzenvielfalt, nachhaltige Finanzierung des internationalen Systems zur Konservierung genetischer Ressourcen

(CGIAR - Genbanken und Svalbard Seed Vault),

- Mit dem Begriff "Gentechnik" werden Verfahren bezeichnet, mit denen das Erbgut von Organismen künstlich verändert werden kann. Dabei kann zum Beispiel das Erbgut des Organismus neu kombiniert oder Teile des Erbguts eines anderen Organismus übertragen werden. Die gentechnische Übertragung der Erbinformation erfolgt entweder direkt (zum Beispiel durch Mikroinjektion, Mikroprojektil Beschuss) oder über so genannte Vektoren, wie zum Beispiel Viren und Bakterien.

Grüne Gentechnik:

- Gentechnische Verfahren in der Landwirtschaft, die zur Pflanzenzüchtung und in der Tierzucht eingesetzt werden,

Rote Gentechnik:

Gentechnische Methoden in der Medizin zur Entwicklung von diagnostischen und therapeutischen Verfahren sowie zur Herstellung von Arzneimitteln für Menschen und Tiere,

Graue oder Weiße Gentechnik:

- Die Nutzung gentechnisch veränderter Mikroorganismen zur

Herstellung von Enzymen oder Chemikalien für industrielle

Zwecke, die Ernährungswirtschaft- und die Futtermittelkette,

in der Mikrobiologie und der Umweltschutztechnik,

In Deutschland:

- Verbot des Anbaus von gentechnisch veränderten Organismen (GVO),

—> Seit 2012 kein kommerzieller Anbau mehr,

—> Auch EU-zugelassenen GVO werden in Deutschland nicht angebaut,

- Kennzeichnungspflicht für GVO in Lebensmitteln,

—>Lebensmittel, die mehr als 0,9% GVO enthalten müssen gekennzeichnet werden,

—> Nicht kennzeichnungspflichtig sind tierische Produkte, bei denen Tiere mit GVO gefüttert wurden,

—> Gentechnisch veränderte Futtermittel gelten als unbedenklich,

- ‘Ohne Gentechnik‘ Label,

—> Freiwilliges Label,

—> Kennzeichnet den kompletten Verzicht auf GVO auch in der Tierfütterung,

- Neue Züchtungsmethoden (Genome Editing),

—> Nach einem Urteil des Europäischen Gerichthof 2018 gilt auch Genome Editing als Gentechnik,

—> derzeit keine Chance für diese Technologie in Deutschlan,

- Gezielte Einkreuzung von Merkmalen mithilfe von Genmarkern, gezielte Veränderung im Erbgut von Nutzpflanzen,

- Entwicklung von transgenen Nutzpflanzen,

—> Funktionsverluste: Ausschalten von unerwünschten Stoffwechselwegen,

—> Funktionsgewinne: Hinzufügen vom Merkmalen, die nicht im natürlichen Genpool einer Art vorkommen (z.B. Golden Rice mit Vitamin A),

1. Klonierung eines Gens aus dem Spenderorganismus,

2. Insertion in ein Plasmid,

3. Agrobacterium tumefaciens nimmt das Plasmid auf,

4. Infektion des Zielorganismus mit transformiertem Agrobacterium,

5. Agrobacterium integriert das Gen in den Zielorganismus,

Bt-Pflanzen:

- So modifiziert, dass sie sich vor herbivoren Larven schützen durch Protein Bt(war vorher in Pflanzenschutzmitteln enthalten),

Herbizidtoleranter Mais:

- Schutz vor Glyphosat,

Amflora:

- Kartoffel ohne Amylose als erneuerbarer Rohstoff für Industrie (Zulassung gestoppt),

Golden Rice:

- Enthält Beta-Carotin im Endosperm und ist die Vorstufe von Vitamin A für Humanernährung (besonders gut für Entwicklungsländer: Vitamin A-Defizit verursacht Sehschwäche),

„Floral Dip“ bei Arabidopsis:

- Nutzen für die Antibiotika-Produktion,

Kallusinduktion bei Getreidesamen:

- Induktion von undifferenzierten Zellen, aus denen nach der Transformation neue Pflanzen regeneriert werden können. Nennen Sie mögliche Kritikpunkte am Einsatz von GVO!,

Gesundheitliche Aspekte:

- Expression von Allergenen Proteinen,

- Risiken durch Antibiotikaresistenzen,

- Bildung von unbekannten Proteinen,

Ökologisch Aspekte:

- Auskreuzung von GVO in andere Sorten,

- Auskreuzung von GVO in wilde Verwandte von Nutzpflanzen ,

- Negative Folgen für Biodiversität (Herbizidtoleranz, BT-Toxine),

Sozioökonomisch Aspekte:

- Große Konzerne kontrollieren GVO Saatgut,

- Benachteiligung von Kleinbauern und Züchtungsfirmen,

- Cas9 Protein erkennt geführt von der guideRNA eine spezifische DNA-Sequenz und schneidet dort,

- Bei der Reparatur des Schnittes entstehen Fehler → Mutation,

- An der Schnittstelle können auch neue definierte DNA-Abschnitte

eingefügt werden,

- Nach der Erzeugung der Mutation wird das Cas9 Protein nicht mehr benötigt und kann ausgekreuzt werden,

- Es verbleibt nur eine gezielte Mutation in der Pflanze,

- Diskussion um „Off target Effekte”,

- Gezielte Veränderungen im Erbgut ohne dass FremdDNA in der Pflanze verbleib,

Bestrahlung:

- Erlaubt,

-Viele zufällige Mutationen,

—> Auswahl von erwünschten Phänotypen,

—> Rückkreuzungen zur Eliminierung unerwünschter Mutationen,

Genomeditierung:

- Nicht erlaubt,

- Erzeugung einer gezielten Mutation,

—> Eliminierung des cas9- Proteins durch Auskreuzung oder Segregation,

—> Analyse möglicher Off-Target Mutationen,

- Hoher Flächenanteil der Landwirtschaft,

—> dominante Auswirkungen auf Ökosysteme und Biodiversität,

- ABER: Rückgang der Agrarflächen in Deutschland, Ausweitung von Siedlungs-und Verkehrsflächen,

- Verdrängung von natürlichen Ökosystemen und somit auch der Biodiversität,

- Verlust von genetischer Diversität innerhalb einer wilden oder domestizierten Pflanzen- oder Tierpopulation,

- Rückgang der Biodiversität durch das Aussterben von Pflanzen-

und Tierarten,

—> z.B. es gibt 7000 Nutzpflanzen, aktuell werden aber nur 150 weltweit angebaut und nur 15 von denen liefern 90% der menschlichen Energie Monokulturen,

- Vielfalt der Agrarökosysteme,

- Arten und Sortenvielfalt (auch Begleitflora und Fauna),

- Genetische Ressourcen,

- Bodenorganismen,

- Nützlinge,

- Begleitflora und Fauna,

- Wilde verwandte von Kulturarten,

—> Komponete: Bestäuber, Prädatoren und Parasiten, Herbivoren, Non-Crop Vegetation,Erdwürmer, Bodenfauna und Bodenmikrofauna,

Bestäubung:

- Viele landwirtschaftliche Nutzpflanzen sindFremdbestäuber,

- Ertragssteigerungen durch Bestäubungsleistung von Insekten,

- ‚Ökosystemdienstleistung‘ durch Bestäuber,

Biologische Schädlingskontrolle:

- Räuberische Insekten und Spinnentiere als natürliche Gegenspieler von Schädlingen,

- Schaffung von Habitaten und / oder gezielte Ausbringung,

- Einsatz vor allem im Ökolandbau,

Nährstoff-Recycling:

- Kein linearer Zusammenhang zwischen Diversität der Bodenorganismen und Bodenfunktion aufgrund von funktioneller Redundanz,

- ABER: stabilere Bodenfunktion bei höherer Biodiversität,

Komplementäre Ressourcennutzung (integrierte Reis-Fisch-Kultur)

Ertragsstabilität:

- Analyse von Erträgen und Produktionsmitteleinsatz bei Fruchtfolgen mit zwei-,drei oder vierjähriger Rotationslänge (USA),

- Höhere Ertragsstabilität bei längerer, diverserer Fruchtfolge,

Quelle genetischer Vielfalt für Züchtung (Wildpflanzen->Landsorten->Hochleistungssorten)

Diversität in der Ernährung

Ökolandbau:

- Relative Unterschiede zwischen der ökologischen und konventionellen Landwirtschaft hinsichtlich der mittleren Abundanz blütenbesuchender Insekten,

Fruchtfolgen

Kleinteilige Agrarstrukturen:

- Für eine höhere Kulturpflanzen - Vielfalt,

Mischkulturen:

- z.B. Agroforstsysteme und Weizen/Ackerbohnen-Gemenge→höhere Diversität,

Sortenmischungen:

- Höhere Ertragsstabilität und Toleranz gegen abiotische /biotische Stresse im Vergleich zu reinen Sorten,

- Vor allem im Ökolandbau,

- ABER: Probleme mit geltendem Sortenrecht (Einheitlichkeit und genetische Stabilität von Saatgut),

Blühstreifen:

- Streifenförmige Einsaat von Saatgutmischungen blühender Pflanzen am Ackerrand,

- Blütenangebot für Insekten und Bestäuber,

- Habitat für Nützlinge,

- Staatliche Förderung,

Konservierende Bodenbearbeitung

Nutzung von ,orphan crops ́ (selten genutzte Nutzpflanzen)

Nutzung von wilden Verwandten

Nutzung der genetischen Vielfalt

Nutzung von neuen Züchtungstechnologien

Domestizierung neuer Nutzpflanzen

Thermochemische Umwandlung:

- Verbrennung (Heizwärme),

- Pyrolyse (flüssiger Brennstoff),

Pyrolyse:

- Spaltung organischer Verbindungen bei hohen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff,

- Spaltung von Bindungen innerhalb der Moleküle,

- Keine Verbrennung durch Sauerstoffausschluss,

Biologische Umwandlung:

- Biogas,

- Fermentation (Heizwärme),

- Verzuckerung (Ethanolgewinnung als flüssigen Brennstoff),

Öle, Fette:

- Umesterung (Biodiesel),

- Bioenergie durch Lignin,

Pyrolyse:

- Langsam —> Briketts,

Ganzpflanzen:

- Mittel —> Häcksel,

- Schnell —> gemahlen,

Biodiesel:

- Nach Ölmühle entweder als Presskuchen oder als Methanol zur Wiederaufreinigung,

i. Ethanol:

—> aus zucker-oder stärkehaltigen Feldfrüchten,

ii. Biogas:

—> aus organischen Abfällen oder nachwachsenden Rohstoffen,

iii. Direktverbrennung:

—> Lignin,

Etablierung:

- Rhizompflanzung,

—> Etablierungssicher, in den Händen der Landwirte, nur ein Klon wird verbreitet, 1-2 Pflanzen qm,

- Setzlingpflanzung,

—> Aufwändige Vermehrung, aber neue Klone, 1-2 Pflanzen qm,

Nutzungsdauer:

- mehrjährige Kultur, ab dem 3. bis 20. Ertragsjahre,

Ernte:

- Ernte bei minimalem Wassergehalt,In der Regel Februar/März; als Ballen oder Häcksler,

Schlecht:

- Konkurrenz um hochwertige Ackerstandorte mit Nahrungsmittelproduktion,

Gut:

- CO2-neutrale Energieproduktion,

- Aufbau organischer Substanzim Boden,

- Dauerhafte CO2-Bindung,Erhöhung der Biodiversität,

- Rückzugsraum für Nützling und Tiere,

- Hochwasser / Erosionsschutz,

Schlecht:

- Konkurrenz mit Nahrungsmittelproduktion,

- Geringere Biogasausbeute als bei C4,

- Gräsern–>höherer Flächenbedarf

Gut:

- CO2-neutrale Energieproduktion,

- Lange Blütezeit, „Bienenweide“,

- Habitat für diverse Fauna,

- Schutz vor Erosion und Nährstoffauswaschung,

Etablierung:

- Planzung,

—> 50 x 50 cm, 20 - 40 000 Pflanzen ha,

—> Mitte April bis Mitte Juli,

—> Gemüse / Erdbeerpflanzmaschinen,

—> Ertragssicherer als Säen und derzeit weiterverbreite,

- Direktsaat,

—> Evtl. Probleme mit Keimfähigkeit,

—> Probleme mit amorphem Saatgut,

—> 10-20 kg ha, 10 x 50 cm, Ablagetiefe 5-15 mm,

—> Etablierung ist kosten- und arbeitsintensiv

Nutzungsdauer etwa 15 Jahre

Ernte:

- Einsatz von Maishäckslern,

- Meist eine Ernte pro Jahr am Ende der Blütephase (September),

- Manchmal zwei Ernten zur Ausnutzung der günstigen chemischen

Zusammensetzung von junger Biomasse,

- Eine Ernte ökologisch günstiger,

- Einfluss des Erntezeitpunktes,

—> Ernte nach Blütezeit ökologisch günstiger,

—> späte Ernte ergibt mehr Biomasse aber schlechtere Verdaulichkeit,

—> deswegen manchmal zwei Ernten um die chemisch günstigere junge Biomasse zu ernte,

- Geringerer Methanertrag als bei Mais aber auch niedrigere laufende Kosten,

- Angepasst an sehr nährstoffarme Böden / marginale Standorte,

- Sehr trockenstresstolerant kommt mit 200 mm Niederschlägen aus,

- Salzstresstolerant,

- Toleriert keinen Frost,

- Eignet sich zur Wiederbegrünung von degradierten Flächen,

- Resistent gegen Schädlinge aufgrund der Pestizid Wirkung von

Phorbolestern (Karzinogen),

Schlecht:

-Möglicherweise Pflanzung großer Monokulturen

Gut:

- Nutzung marginaler Standorte,

- Begrünung von degradierten Flächen,

- Geringe Konkurrenz mit Nahrungsmittelproduktion,

- Geringe Inputs von Agrochemikalien,

- CO2 neutrale Kraftstoffproduktion,

Fruchtfolge:

geregelte Abfolge von Kulturpflanzen auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche

Fruchtfolgefeld:

ist die kleinste Einheit einer Fruchtfolge

Fruchtfolgeglied:

die Aufeinanderfolge von Fruchtfolgefeldern,

bestehend aus mindestens einer Blattfrucht („tragend“) und einer

Halmfrucht(„abtragend“)