Hydraulic lift: Anpassungen an Trockenheit durch biologische Wasserpumpen?

Hier sieht man den Ackerboden auf dem Versuchsbetrieb Neu Eichenberg der Universität Kassel diesen Frühling.


Auch in dieser Feldsaison scheint das Thema Trockenheit wieder akut zu werden. Im Versuchsbetrieb der Universität Kassel in Neu Eichenberg ist der Boden wieder einmal sehr trocken. Was kann man in der (ökologischen) Landwirtschaft machen, um diesem Phänomen zu begegnen? Eine Option ist der Anbau von Sorten, die gezielt für trockene Klimata gezüchtet wurden. Weizen lässt sich auf Frühreife züchten, so dass er der Sommertrockenheit gewissermaßen davonwächst. Die züchterische Bearbeitung der Pflanzenentwicklung ist also eine interessante Stellschraube für die Anpassung an trockene Klimata. Wir haben einige ungarische und sehr frühe Sorten in unseren Versuchen stehen und es wird spannend sein ihre Leistung in Sachen Ertrag und Qualität mit den späteren mitteleuropäischen Sorten zu vergleichen. Dieser Ansatz konzentriert sich auf die Biologie, Genetik und Ökologie einzelner Kulturpflanzenarten.

Nutzung ökologischer Interaktionen und des hydraulic lifts

Ein etwas anderer und komplementärer Ansatz ist es, ökologische Interaktionen zwischen verschiedenen Kulturpflanzenarten zu nutzen. Die Grundlage hierfür ist das natürliche Phänomen, welches als  hydraulic lift bezeichnet wird. Der hydraulic lift ist im Prinzip eine biologische Wasserpumpe, die durch die Wurzeln von Pflanzen ermöglicht wird. Hierbei wird Wasser meist aus tieferen und feuchteren Bodenschichten durch die Wurzel in flachere und trockenere Bodenschichten transportiert. Das Phänomen wird auch als hydraulic redistribution (Wasserumverteilung) bezeichnet, da hierdurch Wasser auch horizontal oder in tiefere Bodenschichten transportiert werden kann (je nach Wasserpotentialgefälle). Der hydraulic lift geschieht (zumindest bei C3– und C4– Pflanzen) in der Nacht, wenn die Stomata geschlossen und so die Transpiration (Wasserabgabe an die Atmosphäre) der Pflanzen stark reduziert ist. Dann kann das Wasser entlang des sogenannten Wasserpotentials aus den feuchten Wurzeln in den trockenen Boden entweichen. Tagsüber wird dies durch den Transpirationssog verhindert. Der hydraulic lift kann einerseits für eine Pflanze selbst von Vorteil sein. Die Wasserabgabe in trockene aber nährstoffreiche Oberböden kann die Aufnahme mineralischer Nährstoffe verbessern. Andererseits kann dieses Wasser auch anderen Pflanzenarten zur Verfügung stehen. Hydraulic lift kann man in natürlichen Ökosystemen beobachten. Ein Beispiel ist Zuckerahorn, der durch hydraulic lift flachwurzelnden Pflanzenarten 3-61% des von diesen genutzten Wassers zur Verfügung stellen kann (Dawson 1993). Auch der Wüsten-Beifuß versorgt umliegende flachwurzelnde Gräser mit 20-50% des genutzten Wassers  (Caldwell und Richards 1989). Methodisch wird das Phänomen durch das Ausbringen eines chemischen Markers  – dem Wasserstoffisotop Deuterium als Teil eines Wassermoleküles – in das Grundwasser untersucht. Findet sich Deuterium nach einiger Zeit auch in den flachwurzelnden Arten, ist dies ein guter Nachweis der biologischen Wasserpumpe. Der hydraulische lift kann sogar ökosystemare und klimatische Effekte erzeugen. Im Amazonasgebiet kann der hydraulic lift die Transpirationsrate der Vegetation in der Trockenzeit um bis zu 40% erhöhen und so das regionale Temperaturregime durch die Verdunstungskühlung beeinflussen (Lee et al. 2005).

Die Nutzung des hydraulic lifts in Mischkultursystemen

Natürlich stellt sich hier die Frage, ob sich dieser Effekt nicht auch gezielt nutzen lässt, z.B. durch Mischkulturen von tiefwurzelnden mehrjährigen Pflanzen, wie Bäumen und Sträuchern mit (relativ) flachwurzelnden annuellen Ackerkulturen, z.B. Getreiden. Solche Systeme mit einer Durchmischung verschiedener ökologischer Sukzessionsstadien (annueller und perennierender Pflanzen) werden gemeinhin als Agroforstsysteme bezeichnet. Es gibt Studien, die auf das Potential, des hydraulic lift für Mischkultursysteme hinweisen, z.B. für Systeme aus Walnuss und Mungbohne (Sun et al. 2014).

In Mischkultursystemen kommt es vor allem darauf an, die Konkurrenz um Wasser zu minimieren und den positiven Effekt des hydraulic lifts zu optimieren. Zwar wurzeln Bäume und Sträucher oft tiefer als einjährige Ackerkulturen, allerdings haben sie auch Wurzeln im Oberboden. In Situationen, in denen vor allem im Oberboden Wasser ist, kann dies dann zu einer starken Konkurrenz um Nährstoffe und Wasser führen. Eine Möglichkeit, dem zu begegnen, ist es die Bäume zu beschneiden, da dies auch das Wurzelwachstum reduzieren kann, möglicherweise vor allem die flachen Wurzeln. Außerdem tritt ein hydraulischer lift nur bei Bäumen mit einem dimorphen Wurzelsystem auf, die flache und tiefe Wurzeln haben und nicht bei Bäumen mit ausschließlich relativ tiefen Wurzeln (z.B. bestimmte immergrüne Bäume) (Scholz et al. 2008).

Ein weiteres interessantes Beispiel dafür, dass hydraulic lift in Mischungen von Vorteil sein kann, ist die Mischung von einjährigen Leguminosen wie Erdklee mit mehrjährigen Luzernen (Pang et al. 2013). Wer sich noch weiter schlaulesen möchte, dem sei der Übersichtsartikel von Bayala und Prieto (2019) empfohlen. Die Ökologie bietet neben Genetik und Züchtung also interessante komplementäre Optionen für Agrarsysteme, die  mit Trockenstress umgehen könnten.

„Stapeln“ positiver ökologischer Interaktionen

Noch weitergedacht, könnte man positive ökologische Interaktionen „stapeln“. Der Begriff des „Stapelns von Eigenschaften“ (stacking) kommt aus der Züchtung und bezeichnet die Kombination mehrerer erwünschter Eigenschaften in einer Sorte. Dies ließe sich auch auf ökologische Eigenschaften übertragen. Man könnte Pflanzenpartner kombinieren, die bezüglich mehrerer Ressourcen eine hohe Komplementarität aufweisen, z.B. für Wasser und Stickstoff.  Denkbar wäre eine Kombination aus tiefwurzelnden und atmosphärischen Stickstoff fixierenden Sträuchern.  Ein mögliches Beispiel wären Grünerlen (Alnus alnobetula), die mit dem stickstofffixierenden Bakterium Frankia alni in Symbiose leben mit relativ flachwurzelnden aber bezüglich der Aufnahme des Bodenstickstoffes hocheffizienten Getreiden.

Literatur

Bayala, J., und I. Prieto. 2019. „Water acquisition, sharing and redistribution by roots: applications to agroforestry systems“. Plant and Soil, 1–12.

Caldwell, Martyn M., und James H. Richards. 1989. „Hydraulic lift: water efflux from upper roots improves effectiveness of water uptake by deep roots“. Oecologia 79 (1): 1–5.

Dawson, Todd E. 1993. „Hydraulic lift and water use by plants: implications for water balance, performance and plant-plant interactions“. Oecologia 95 (4): 565–574.

Pang, Jiayin, Yanmei Wang, Hans Lambers, Hans Lambers, Mark Tibbett, Kadambot HM Siddique, und Megan H. Ryan. 2013. „Commensalism in an agroecosystem: hydraulic redistribution by deep-rooted legumes improves survival of a droughted shallow-rooted legume companion“. Physiologia Plantarum 149 (1): 79–90.

Scholz, F. G., S. J. Bucci, G. Goldstein, Marcelo Zacharias Moreira, Frederick C. Meinzer, J.-C. Domec, R. Villalobos-Vega, A. C. Franco, und F. Miralles-Wilhelm. „Biophysical and life-history determinants of hydraulic lift in Neotropical savanna trees“. Functional Ecology 22, Nr. 5 (2008): 773–786.

Sun, Shou-Jia, Ping Meng, Jin-Song Zhang, und Xianchong Wan. 2014. „Hydraulic lift by Juglans regia relates to nutrient status in the intercropped shallow-root crop plant“. Plant and soil 374 (1–2): 629–641.

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