Als Pflanzenforscher müssen Sie die Leistung von Nutzpflanzen effektiv bewerten, sei es bei der Auswahl der besten Sorte, beim Versuch, die abiotische Stresstoleranz zu verstehen, bei der Untersuchung der Krankheitsresistenz oder bei der Bestimmung der Klimaresistenz. Wenn Sie jedoch nur Wetterdaten messen, entgehen Ihnen möglicherweise wichtige Leistungsindikatoren. In diesem Artikel und in dem unten stehenden Video sprechen wir über einen wichtigen, aber oft übersehenen Indikator: das Wasserpotenzial des Bodens. Das Wasserpotenzial wird von Pflanzenforschern bei Studien zu abiotischem Stress nur unzureichend genutzt, obwohl es die einzige Möglichkeit ist, die tatsächlichen Trockenheitsbedingungen bei der Bestimmung der Trockentoleranz von Pflanzen zu beurteilen. Erfahren Sie, was das Wasserpotenzial ist und wie es die Qualität Ihrer Pflanzenstudie verbessern kann.
Wenn Sie sich mit Pflanzenpopulationen beschäftigt haben, kennen Sie wahrscheinlich die vereinfachte Gleichung in Abbildung 1, die zeigt, wie wir uns die Auswirkungen von Genetik und Umwelt auf die beobachtbaren Phänotypen vorstellen.
Diese Gleichung zerlegt den beobachteten Phänotyp (Pflanzenhöhe, Ertrag, Farbe der Kerne usw.) in die Auswirkungen des Genotyps (die der Pflanze zugrunde liegende Genetik) und die Auswirkungen der Umwelt (Niederschlag, durchschnittliche Tagestemperatur usw.). Aus dieser Gleichung können Sie ersehen, dass die Qualität Ihrer Studie direkt von der Art der Umweltdaten abhängt, die Sie sammeln. Wenn Sie also nicht die richtige Art von Daten messen, kann die Genauigkeit Ihrer gesamten Studie gefährdet sein.
Studien zur Trockenheit sind bekanntermaßen schwierig zu wiederholen, zu quantifizieren oder auch nur zu konzipieren. Das liegt daran, dass der Zeitpunkt, die Intensität oder die Dauer einer Dürre nicht vorhersehbar sind und dass es schwierig ist, Vergleiche zwischen Standorten mit unterschiedlichen Bodentypen anzustellen. Wir wissen auch, dass die Betrachtung des Niederschlags oder sogar des volumetrischen Wassergehalts allein nicht ausreicht, um die im Boden herrschenden Trockenheitsbedingungen zu beschreiben. Das Wasserpotenzial des Bodens ist ein wichtiges Instrument zur Quantifizierung von Trockenheitsstress in der Pflanzenforschung, denn es ermöglicht eine quantitative Bewertung der Trockenheit und bietet eine einfache Möglichkeit, diese Ergebnisse über Feldstandorte und über die Zeit hinweg zu vergleichen ( Gegenüberstellung ). Lassen Sie uns einen genaueren Blick darauf werfen.
Wenn wir über Boden nachdenken, dann meist im Zusammenhang mit dem Pflanzenwachstum. Wir wissen, dass der Boden das Pflanzenwachstum durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen, potenziellen Krankheitsdruck, Wurzelwachstum und Wasserverfügbarkeit beeinflusst.
Viele Forscher glauben, dass die Wasserverfügbarkeit von Pflanzen mit einem herkömmlichen Bodenfeuchtesensor bestimmt werden kann, der den volumetrischen Wassergehalt misst.
Aber wenn Sie versuchen, Trockenstress zu charakterisieren, die Wassernutzungseffizienz von Pflanzen zu verstehen oder die abiotische Stresstoleranz von Pflanzen mit einem Wassergehaltsensor zu untersuchen, messen Sie den falschen Parameter. Der Wassergehalt sagt nur aus, wie viel Wasser sich im Boden befindet. Er sagt nichts darüber aus, ob das Wasser für die Pflanzen verfügbar ist. Sehen Sie sich dieses kurze Video an, um zu erfahren, warum das so ist.
Ein Problem bei der Verwendung von Daten über den volumetrischen Wassergehalt zur Quantifizierung von abiotischem Stress ist, dass Sie die Bodenart und -beschaffenheit kennen müssen, um Informationen über die Wasserverfügbarkeit in einem Pflanzenkontext zu interpolieren. Das macht Vergleiche schwierig, wenn die Bodentypen an verschiedenen Standorten unterschiedlich sind. Das Wasserpotenzial des Bodens hingegen bewertet direkt die Wasserverfügbarkeit. Das bedeutet, dass es die Bodenbeschaffenheit bereits berücksichtigt. Wenn Sie das Wasserpotenzial messen, haben Sie eine Messung, die über Standorte und Zeit hinweg direkt vergleichbar ist, ohne dass eine zusätzliche Analyse oder bodenspezifische Kalibrierung erforderlich ist.
Das andere Problem bei der Verwendung des volumetrischen Wassergehalts als Indikator für Trockenstress ist, dass der Wassergehalt nur eine Menge ist. Er sagt Ihnen, wie viel Wasser dem Boden zugeführt (oder entzogen) wurde. Er sagt jedoch nichts darüber aus, wie zugänglich dieses Wasser für Ihre Pflanzen ist oder wie viel Energie erforderlich ist, um an dieses Wasser zu gelangen. Das Wasserpotenzial hingegen gibt Aufschluss über die Energie des Wassers im Boden und darüber, ob sich Ihre Pflanzen wohl fühlen oder gestresst sind, indem es angibt, wie viel Bodenwasser für sie verfügbar ist. Deshalb ist das Wasserpotenzial eine viel aussagekräftigere Messung als der Wassergehalt, wenn Sie wissen wollen, ob Ihre Pflanzen wirklich unter Trockenheit leiden. Sehen Sie in dem Video unten, wie das funktioniert.
Manche Menschen vermeiden die Messung des Bodenwasserpotenzials, weil es eine komplizierte Definition hat, die schwer zu verstehen ist. Aber Sie müssen das Wasserpotenzial des Bodens nicht verstehen, um es effektiv zu nutzen. Sie können sich das Wasserpotenzial als eine Art Wasserthermometer für Pflanzen vorstellen. Genauso wie Sie auf den Thermostat in Ihrem Haus schauen und 22 C (72 F) sehen und denken, "das ist für mich als Mensch angenehm", können Sie sich die Daten zum Wasserpotenzial im Boden ansehen und verstehen, ob die Wassermenge im Boden für Ihre Pflanzen angenehm ist oder nicht. Das Video unten erklärt, warum.
Abbildung 4 veranschaulicht, wie wir uns das Wasserpotenzial als eine Art "Wohlfühlthermometer" für Pflanzen vorstellen können. Beachten Sie, dass die kPa-Werte für das Wasserpotenzial immer als negativer Wert angegeben werden. Eine Möglichkeit, sich kPa vorzustellen, ist, dass der Boden umso trockener ist, je negativer der Wert ist. Ein Wert von Null liegt im vollständig gesättigten Bereich, während ein Wert von -1000 kPa und darunter den permanenten Welkepunkt bedeutet.
Unten in Abbildung 4 sehen Sie, dass der Mais während der Vegetationsperiode einen Boden im Bereich von -50 kPa bevorzugt. Während der Reifezeit hingegen bevorzugt er einen Boden im kPa-Bereich von -800 bis -1200, also ein ganzes Stück trockener.
Oben in Abbildung 4 sehen Sie, dass die Kartoffeln ein engeres Fenster von etwa -30 bis -50 kPa bevorzugen.
Die folgenden beiden Diagramme veranschaulichen, wie Wasserpotenzialdaten Ihnen ein genaueres Bild von Wasserstress bei Pflanzen vermitteln können. Abbildung 5 zeigt einige Daten zum volumetrischen Wassergehalt von Rasengras.
Beachten Sie die Spitzen bei der Bewässerung oder den Niederschlagsereignissen im Laufe der Zeit. Ohne Kontext über die Bodenart ist es schwierig, Rückschlüsse auf die Wasserverfügbarkeit zu ziehen oder darauf, wie gut der Boden für den Rasen auf diesem Feld geeignet ist.
In Abbildung 6 fügen wir Daten zum Wasserpotenzial hinzu, anhand derer sich viel leichter erkennen lässt, ob sich die Pflanzen in einem optimalen Bereich für die Wasserverfügbarkeit befinden.
Aus dieser Grafik können Sie ersehen, dass zu Beginn der Saison zu viel bewässert wurde. Um den Juli herum reduzierten sie die Bewässerungshäufigkeit, wodurch der Boden abtrocknen und sich dem optimalen Bereich von -30 bis -50 kPa annähern konnte.
Ende August und Anfang September haben sie begonnen, zu viel Zeit zwischen den Bewässerungsmaßnahmen verstreichen zu lassen, was den Rasen unter erheblichen Trockenstress gesetzt hat. Der Einbruch des Wassergehalts um den 13. September unterscheidet sich nicht wesentlich von den Einbrüchen, die davor und danach auftreten. Erst wenn Sie sich die Daten zum Wasserpotenzial ansehen, bemerken Sie den dramatischen Abfall aus dem optimalen kPa-Bereich, der den Rasen an den Punkt des permanenten Welkens bringen könnte. Weitere Informationen zum Verständnis der Daten erhalten Sie in unserem Webinar Wie man Bodenfeuchtigkeitsdaten interpretiert.
Das Wasserpotenzial hat, wie alles andere auch, seine Grenzen, wenn es zur Bestimmung der Trockentoleranz von Pflanzen verwendet wird. Hier sind drei Dinge zu beachten:
Sollten Sie sich bei der Messung des Wasserpotenzials auf die Datenmenge oder die Datenqualität konzentrieren? Die Antwort könnte Sie überraschen. Eine kürzlich durchgeführte Studie untersuchte diesen Kompromiss im Zusammenhang mit Pflanzenphänotypisierungsdaten. Die Studie verglich die manuelle Vermessung von Feldpflanzen - eine sehr genaue, aber arbeitsintensive Methode - mit der Extraktion der Pflanzenhöhe aus Drohnenbildern, die viel mehr (aber weniger genaue) Daten liefert. Die Forscher fanden heraus, dass Sie die Einbußen bei der Genauigkeit durch eine höhere Durchsatzkapazität ausgleichen können. Mit anderen Worten: Es ist im Allgemeinen besser, mehr Datenpunkte zu haben als weniger, dafür aber genauere Datenpunkte (siehe Lane, H.M. und S.C. Murray. 2021. Crop Science. Hoher Durchsatz kann bei der Phänotypisierung von Pflanzenpopulationen zu besseren Entscheidungen führen als hohe Genauigkeit).
Dieses Konzept des hohen Durchsatzes gilt für die Erfassung von Standortvariabilität bei der Erfassung von Wasserpotenzialdaten oder jeder anderen Art von Umweltdaten. In Abbildung 8 sehen Sie zum Beispiel, wie groß die Variabilität bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit ist. Hätten Sie nur einen oder nur wenige Probenahmepunkte, würden Sie bei der Extrapolation auf den gesamten Standort falsche Schlüsse ziehen.
Ganz gleich, ob Sie versuchen, die beste Sorte auszuwählen oder Krankheiten oder Klimaresistenz besser zu verstehen, Ihre Fähigkeit, Ihre Forschungsziele zu erreichen, hängt davon ab, ob Sie die richtige Art von Daten sammeln können. Wenn Sie Ihre Wassergehaltsdaten und Ihre Wetterdaten um Daten zum Wasserpotenzial ergänzen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Studie genau bewertet, ob Ihre Pflanzen wirklich unter Trockenstress leiden oder nicht. Einen tieferen Einblick in den Unterschied zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial erhalten Sie in unserem Webinar Bodenfeuchtigkeit 101.
Lane, Holly M., und Seth C. Murray. "Hoher Durchsatz kann bei der Phänotypisierung von Pflanzenpopulationen zu besseren Entscheidungen führen als hohe Genauigkeit." Crop Science 61, no. 5 (2021): 3301-3313. Artikel-Link.
Finden Sie heraus, warum Dr. Andrew Green und seine Berater Dr. Gerard Kluitenberg und Dr. Allan Fritz der Meinung sind, dass die Überwachung des Wasserpotenzials im Boden die einzige quantifizierbare Methode ist, um eine konsistente und wiederholbare Behandlung in Studien zu Trockenstress durchzusetzen.
Lesen Sie die Fallstudie: "Screening auf Trockenheitstoleranz"
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
Das Wasserpotenzial ist ein besserer Indikator für das verfügbare Wasser der Pflanze als der Wassergehalt, aber in den meisten Situationen ist es sinnvoll, die Daten beider Sensoren zu kombinieren.
Holen Sie sich die Informationen, die Sie brauchen, um Ihre Ernte zum richtigen Zeitpunkt und auf die richtige Weise zu stressen oder zu entstressen, damit Sie Ihre Ziele erreichen.
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