Klimawandel und CO2-Anstieg: Folgen für Kartoffelertrag ... · „worst-case “ Zukunft? 150 200 250 ... Jahre vor heute CO 2 Vostok Record (Eisbohrkerne)-Konzentration (ppmv)

AGK Kartoffel-Tagung - Detmold – 13.-14. Mai 2009

Institut für Landschafts- und Pflanzenökologie – Petra Högy & Andreas Fangmeier

Klimawandel und CO2-Anstieg:Folgen für Kartoffelertrag und -Qualität



Atmosphärische CO2-Konzentrationen

Einleitung ⎜Material & Methoden ⎜Ergebnisse & Diskussion ⎜Zusammenfassung & Fazit

Aktuelle CO2-Konzentration

• +35% seit Industrialisierung

• höchste der letzten 420 000 Jahre, möglicherweise der letzten 20 Mio. Jahre

„best-case“

„worst-case“

Zukunft?

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Jahre vor heute

CO

2-K

onze

ntra

tion

(ppm

v)

Vostok Record (Eisbohrkerne)

IPCC A1FI (Scenario)

Law Dome Record (Eisbohrkerne)Mauna Loa Record (Direkte Messungen)

0100 000200 000300 000400 000Quelle: Keeling and Whorf; Etheridge et al.;Barnola et al.; (PAGES/IGBP); IPCC; Graphik verändert nach Bernhofer et al. 2007



Hintergrundinformationen


o Atmosphärischer CO2–Anstieg seit der Industrialisierung um 35% auf

gegenwärtig 380 ppm; bis 2100 weiterer drastischer Anstieg vorhergesagt

o Indirekter CO2-Effekt (Temperaturanstieg, veränderte Niederschlagsmuster)

o Direkter CO2–Effekt: Gewinn für landwirtschaftlich genutzte C3 Kulturpflanzen in

einigen Regionen

– Anstieg der Photosyntheserate

– Erhöhte Kohlenstoff- (Kohlenhydrat) Produktion

– Verbesserte Wasser- und Stickstoff-Nutzungseffizienz

– Höhere Biomasseproduktion und Reproduktion (Ertrag)



Hintergrundinformationen


o Positiver CO2-Effekt hat seinen Preis; Konflikt zwischen Quantität und Qualität

- Veränderung der pflanzlichen Nährstoffaufnahme und Allokation

- Mögliche Effekte auf die Verfügbarkeit der Metabolite während der Knollenbildung

- Folgen für Nahrungsmittelqualität: ernährungsphysiologische und industrielle Aspekte

- Umstellung der Ernährungsmuster, um den gleichen Nutzen zu erhalten

- Anpassung der landwirtschaftlichen Produktion und der industriellen Verarbeitung

- Adaptation der Ziele in der Pflanzenzucht



Fragestellung


o Beeinflusst erhöhtes CO2 die Produktivität von C3 Kulturpflanzen wie Kartoffel?

o Welche Konsequenzen sind durch die CO2-Erhöhung für die Qualität von Kartoffeln in Hinblick auf die menschliche Ernährung und Gesundheit sowie die industrielle Verwertung zu erwarten?

o Müssen Produzenten das Management anpassen, um die Folgen erhöhter CO2-Konzentrationen auf Ertragsmenge und –Qualität auszugleichen?



CO2-Expositionssystem


o OTCs (open-top chambers)

o CO2-Behandlungen:– CONTROL: Umgebungs-

CO2 ohne technische Ausstattung

– AMBIENT: Umgebungs-CO2 mit OTC-System

– ELEVATED: erhöhtes CO2mit OTC-System

http://www.uni-giessen.de

3.15 m



Pflanzenanzucht


o Solanum tuberosum L. cv. Bintje

o Vegetationsperiode- 04. Mai – 07. September 1998

- 10. Mai – 15. September 1999

o CO2-Konzentrationen- 380, 550 and 680 µl L-1 CO2 [24-h Mittelwert]

o Boden auf der Versuchsfläche: Sandiger Lehm

o Pflanzdichte- 20 (1998) und 13.3 (1999) Pflanzen pro m2

o Nährstoffversorgungo Gesamt: 200 kg N ha-1 (MANNASpezial 7% N, 6% P, 10% K)

o Wasserversorgung nach Bedarf (ca. 75% Feldkapazität)

o Ernte bei Knollenreife



CO2-Konzentrationen


0

100

200

300

400

500

600

700

800

CO

2-K

onze

ntra

tion

[µl L

-1] 1998 1999

380 550 680 380 550 680

CO2-BehandlungHögy et al. (2009a)



Aspekte der kommerziellen Kartoffelqualität


Knollengröße

Generell

Knollenertrag

Knollenzahl

Chemisch

Kohlenhydrate

Mineralstoffe

Proteine

Anionen

Glykoalkaloide

Organische Säuren

Aminosäuren

Physikalisch

Trockensubstanz

Unterwassergewicht

Spezifische Dichte

Glasige Knollen

Optisch

Vorkommen von Schorf

Deformation

Grüne Knollen



Biomassefraktionen


Högy et al. (2009a)www.klett.de/sixcms/media.php/76/kartoffel.jpg

Parameter R2 P CO2-Effekt (%) [550/380]a

Gesamtbiomasse[TG m-2]

0.392 (0.071) +4.7

Oberirdische Biomasse [TG m-2] 0.164 ns -8.2

Blätter [TG m-2] 0.117 ns -8.8

Stängel [TG m-2] 0.591 0.016 -7.1

Knollenertrag [FG m-2] 0.432 (0.054) +4.7

R2: Koeffizient der Exponentialfunktion; ns (P > 0.1); asignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall



Knollenertrag (gesamt)


Högy et al. (2009a)CO2-Konzentration [µl L-1]

-10

0

10

20

300 400 500 600 700 800

R2 = 0.982 (Quadratische Regression); P = 0.0025

Rel

ativ

er C

O2-

Effe

kt [%

FG

]

-10

0

10

20

300 400 500 600 700 800



Högy et al. (2009a)

+32.0ns0.110

-0.7ns0.024

+0.5ns0.003

-3.0ns0.022

-0.6ns0.004

CO2-Effekt (%) [550/380]aPR2

Knollenzahl [Anzahl m-2]

Knollenertrag und –Zahl der Fraktionen


Parameter

Fraktion R2 P CO2-Effekt (%) [550/380]a

Gesamt 0.639 0.010 +6.3

Nicht-kommerziell (<35 mm) 0.008 ns +1.4

Kommerziell(>35 mm)

0.552 0.022 +7.0

Verzehr(35-50 mm)

0.009 ns +0.6

Industriell(>50 mm)

0.213 ns +25.0

Knollenertrag [TG m-2]

R2: Koeffizient der Exponentialfunktion; ns (P > 0.1); asignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall



Optische und physikalische Qualität


Parameter Regressions-Typa R2 P CO2-Effekt (%)

[550/380]b

+62.8**

+133.7

-11.6(*)

+1.5

Spezifische Dichte 3 0.147 ns -1.3

-8.2

Deformation [% Knollenertrag] 2 1.000 0.000

Kartoffelschorf [% Knollenertrag] 2 0.191

0.980

0.481

0.140

ns

Grüne Knollen [% Knollenertrag] 2 0.020

Trockensubstanz [% FG] 1 0.038

Unterwassergewicht [g 5 kg-1 FG] 1 ns

Högy et al. (2009b)

a1 = exponentiell, 2 = quadratisch, 3 = logarithmisch; ns (P > 0.1); bsignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall



Nicht-strukturelle Kohlenhydrate



90

100

110

120

130

140

Rel

ativ

erC

O2-

Effe

kt [%

TG

]

300 400 500 600 700 800

Stärke P = nsa

Glukose P = 0.039a Fruktose P = 0.015aReduzierende Zucker P = 0.002a

CO2-Konzentration [µl L-1]

CO2-Effekt [550/380]b

Reduzierende Zucker: +23.1%*

Glukose: +24.4%

Fruktose: +21.8%**

Stärke: +2.7%bsignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall

aRegressions-Typ für beste Kurvenanpassung: quadratisch




[550/380]b

-6.2Ca -6.1KMgSP 2 0.222 ns +5.6

2 0.349 ns -22.8ZnMnFeCdBAl

3 0.523 0.028 -3.2

Makro-Elemente [µg g-1 TG]2 0.408 ns +0.7

Spuren-Elemente [µg g-1 TG] 2 0.448 ns

2 0.348 ns -1.2

-77.0

+1.0

+4.8

2 0.199 ns -6.4+16.1

Protein [% TG] 3 0.463 0.044Makro-Elemente [mg g-1 TG] 1 0.348

0.314

0.092

0.058

(0.095)

2 ns

2 ns

2 ns

Protein und Mineralstoffe

Einleitung ⎜Material & Methoden ⎜Ergebnisse & Diskussion ⎜Zusammenfassung & FazitHögy et al. (2009b)




Regressions-Typ für beste Kurvenanpassung: 1 = exponentiell, 2 = quadratisch, 3 = logarithmisch; a[550/380]; bsignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall

Aminosäuren


-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Rel

ativ

erC

O2-

Effe

kt [%

TG

]a

Ala2

di-Tyr

3

Met3

Gln1

Phe3

Gly2

Pro2

Asp2

Arg2

Ile1

Thr2

Lys1

Leu2

Cys2

His3

Ser3

Glu2

Asn2

PLeu: 0.008; PPhe: 0.001; PMet: 0.008; Pdi-Tyr: (0.058); PHis: (0.060); PAsp: (0.062)

essentiellsemi-essentiellessentiell für Kinder

nicht-essentiell

m-Tyr2



Anionen und Organische Säuren



[550/380]b

Chlorid 1 0.168 ns -5.2

Organische Säuren

Dehydro-Ascorbat 3 0.300 ns -16.8

Nitrat 3 0.038 ns +15.0

+4.8

-26.6

Citrat 3 0.804 0.008 -6.9

+9.5

Anionen

Sulfat 3 0.147

0.326

0.163

ns

Ascorbat 3 ns

Malat 3 ns



Ascorbat (1999)

P: (0.073)

CO2-Effekt [550/380]b: -48.3%*bsignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall



Glykoalkaloide


-30

-20

-10

0

10

300 400 500 600 700 800

α-Chaconin P = 0.002a

α-Solanin P = nsa

Gesamt-Glykoalkaloide P = 0.007a

Rel

ativ

erC

O2-

Effe

kt [%

TG

]

CO2-Konzentration [µl L-1]aRegressions-Typ für beste Kurvenanpassung: 3 = logarithmisch

CO2-Effekt [550/380]b

α-Chaconin: -12.6%

α-Solanin: -6.5%

Glykoalkaloideges: -10.8%bsignifikant nach (*)90%, *95% oder **99% Konfidenzintervall



Zusammenfassung


Deformation ↑

Reduzierende Zucker ↑

Protein ↓

Aminosäuren ↓

Mineralstoffe (K, Ca) ↓

Citrat, Ascorbate ↓

Ertrag ↑, Grüne Knollen ↓

Trockensubstanz ↑

Glykoalkaloide ↓

Qualitäts-AspektePositive CO2-Effekte

Marktwert

Rentabilität, Fettabsorption, Textur

Marktwert

Bräunung, Acrylamid

Nährwert, Verfärbung, Geschmack, Textur

Nährwert, Verfärbung

Negative CO2-Effekte

Geschmack

Toxizität

Verfärbung, Acrylamid Nährwert

Nährwert, Verfärbung

Geschmack



Fazit


o Zukünftiger CO2-Anstieg verändert die Qualität von Kartoffeln mit Konsequenzen für die

Ernährung und Gesundheit von Konsumenten, die industrielle Verarbeitung und den

Marktwert.

o Folgen für die Qualität sind abhängig von den spezifischen Anforderungen der Verbraucher.

o Derzeit kein eindeutiger Hinweis, ob unter erhöhten CO2-Konzentrationen die positiven oder

negativen Effekte auf die Knollenqualität überwiegen.

o Unzureichendes Wissen, ob Veränderungen der Zuchtziele, Adaptation der Anbaupraxis,

Modifikation von industriellen Prozessen oder Änderungen des Ernährungsmusters

mögliche negative Folgen für die Rohstoffversorgung in einer künftigen CO2-Welt

ausgleichen können.



Vielen Dank

Europäische Kommission - Environment and Climate Research Programme(ENV4-CT970489)

Prof. Dr. H.-J. Jäger - Universität Giessen, Institut für Pflanzenökologie

Kollegen aus dem CHIP-Projekt - Changing Climate and Potential Impacts on Potato Yield and Quality

Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit

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Klimawandel und CO2-Anstieg: Folgen für Kartoffelertrag ... · „worst-case “ Zukunft? 150 200 250 ... Jahre vor heute CO 2 Vostok Record (Eisbohrkerne)-Konzentration (ppmv)