Zusammenfassung
Um Wasser im Gemüseanbau zukünftig noch effizienter einzusetzen, erarbeitet das Fachgebiet Gemüsebau eine pflanzenbasierende Bewässerungssteuerung. Grundlage sind pflanzephysiologische Signale, die Wassermangel frühzeitig aufzeigen. Mittels pflanzlichen Wasserstatus (ψ), Wassertransport in den Trieben (hydraulische Leitfähigkeit) und dem photosynthetischen Gasaustausch wird ein Modell erstellt, das eine optimierte Bewässerungssteuerung ermöglicht.
Anhand der hydraulischen Leitfähigkeit (L_h) bei zunehmendem Wassermangel konnte ein Schwellenwert für das frühmorgendliche Wasserpotenzial (ψ_PD) zwischen  0,2 und  0,3 MPa ermittelt werden, ab dem unter Feldbedingungen ernster Trockenstress für die Pflanze einsetzt. Abnehmendes Wasserangebot in Lysimetern reduzierte die Photosyntheseleistung und folglich die Produktivität der Triebe signifikant ab ψ_PD = 0,8 MPa.
Durch Kombination der drei pflanzenphysiologischen Methoden wurde für das ψ_PD ein Wertebereich gefunden, ab dem Spargelpflanzen Trockenstress signalisieren. Anhand dieser Trockenstresssignale kann nun in Feldversuchen eine pflanzenbasierende Bewässerungssteuerung bei Spargel getestet werden.

Einleitung
Der ökologische und ökonomische Einsatz der Bewässerung wird zukünftig nicht zuletzt aufgrund des Klimawandels stärker in den Fokus der gartenbaulichen Forschung rücken. Die internationale Gesellschaft für Gartenbauwissenschaften (ISHS) widmet deshalb diesem Thema auf dem internationalen Gartenbaukongress im August 2010 ein eigenes Symposium. Die Bewässerung im Gemüsebau muss sich den Anforderungen stellen und wird in immer intensiveren Wettbewerb mit anderen Nutzungszwecken stehen. Mögliche Lösungsansätze für diese Herausforderungen an die gartenbauliche Wassernutzung beinhalten die Entwicklung von rationalen Methoden und Techniken zur Bewässerungssteuerung. Ansätze hierfür ergeben sich aus Messungen direkt an oder in der Pflanze, im Gegensatz zu den bisherigen indirekten Verfahren der Messung von Bodenfeuchte oder der Kalkulation mit klimatischen Größen. Ziel ist es, den Bewässerungszeitpunkt nach pflanzlichem Wasserbedarf zu bestimmen. Dazu werden pflanzeninterne hydraulische Parameter gemessen, die eine Einschränkung des Wasserhaushaltes durch Trockenheit aufzeigen, bevor irreversible Schädigungen der Pflanze auftreten.

Material und Methoden
Die Versuche zum pflanzlichen Wasserhaushalt der Bleichspargelsorte 'Gijnlim' wurden 2007 bis 2009 im Freiland und im Lysimeter durchgeführt. Im Freiland wurden bewässerte und unbewässerte Bestände miteinander verglichen. In 400 L Lysimetergefäßen sind Pflanzen zunächst optimal und anschließend nicht mehr bewässert worden. Während der Austrocknungsphase wurden dann Veränderungen des Wasserhaushaltes untersucht. Vier Messmethoden kamen zum Einsatz:

1. Pflanzliches Wasserpotenzial
Die frühmorgendliche Messung des pflanzlichen Wasserstatus (ψPD) von Spargel spiegelt den Wasserausgleich zwischen Boden und Pflanze wider. Es entspricht dem Druck (- MPa), der nötig ist, um Wasser aus den Leitbahnen abgetrennter Pflanzenteile zu pressen. Gemessen wurde ψ in den Scholander-Druckkammern (Typ „SKPM 1400“, Fa. Skye Instruments, UK und Typ „PWSC 3000“, Fa. Soil Moisture Equipment Corp, USA, Abb. 1). Für Feldmessungen diente die „Pump-Up Chamber“ (Fa. PMS Instruments Co., USA,  Abb. 2). Ziel ist es, Schwellenwerte für ψPD zu erarbeiten, die den Beginn von Wassermangelsituationen anzeigen und als Bewässerungsstartsignale dienen können. Die Festlegung von Schwellenwerten erfolgt durch den Vergleich der ψ-Werte mit den anderen Parametern des Wasserhaushaltes sowie der Pflanzenentwicklung.

2. Hydraulische Leitfähigkeit
Bei abnehmender Wasserversorgung entstehen zunehmend Luftembolien in den Leitgefäßen, die den Wassertransport in Pflanzentrieben verschlechtern. In einer eigens erstellten Messeinrichtung (Abb. 3), die auf den Untersuchungen von Sperry et al. (1988) beruht, wird dieser Verlust an Lh von Pflanzentrieben erfasst. Zentrale Messgröße ist die Wasserflussrate pro Druckgradient durch embolisierte Spargelseitentriebe im Vergleich zur Flussrate dieser Triebe, wenn die Embolien beseitigt sind. Die Gegenüberstellung von Leitfähigkeitsverlust und ψ zeigt auf, bei welchem Wasserstatus eine pflanzenschädigende Abnahme des Wassertransportes durch die Triebe erfolgt. Ein Leitfähigkeitsverlust von 50 % wird aufgrund der Embolieentwicklung als kritische Schwelle für Wassermangel betrachtet (Pammenter & van der Willigen 1998).

3. Stomatärer Gaswechsel
Mit einem Gaswechselmessgerät („GFS 3000“, Fa. Walz) wird die Wasserabgabe und die CO₂-Aufnahme von Phyllokladien („Blätter“ des Spargels) an Seitentrieben gemessen, die in die Messküvette eingespannt sind. Wie sich der Gasaustausch von Spargelpflanzen unter Wassermangel verändert, wurde während der Austrocknung von Lysimetergefäßen erfasst. Durch Bezug des Gas­austauschs auf das ψ_PD kann abgeleitet werden, ab welchem Wasserstatus die Assimilation, die Transpiration und folglich die Produktivität der Pflanze eingeschränkt ist.

4. Veränderung des Triebdurchmessers
Wassermangel führt zu einer Abnahme die Triebdurchmessers, wenn mangelnde Wassernachlieferung aus dem Boden zu einem Wasserentzug auf dem pflanzlichen Gewebe führt. Mit Wegaufnehmern ("500 LCIT", Fa. Schaevitz, Virginia, USA) wurde die Veränderung der Durchmesser von Spargeltrieben während der Austrocknung von Lysimetergefäßen und im Feld bestimmt. Ziel war herauszufinden, ob mit dieser einfach automatisierbaren Messung das frühmorgens von Hand zu messende Wasserpotenzial prognostiziert werden kann.

Ergebnisse und Diskussion

1. Hydraulische Leitfähigkeit
Unter Feldbedingungen zeigte Spargel mit abnehmendem ψ_PD, also zunehmendem Wassermangel, eine Einschränkung des Wassertransportes in den Trieben. Im Juli 2008 trat ein Leitfähigkeitsverlust von 50% bei ca. -0,3 MPa auf. Bis September nahm die Trieb-Anfälligkeit für Wassermangel noch weiter zu. Dann war ein Leitfähigkeitsverlust von 50% bereits bei -0.2 MPa erreicht.

2. Stomatärer Gaswechel
Die Assimilation von CO₂ war 2009 im Lysimeter signifikant reduziert, wenn das ψPD aufgrund des Bewässerungsstopps unter -0,8 MPa abgesenkt wurde. Eine Beeinträchtigung des Wachstums ist zu erwarten, wenn diese Werte unterschritten werden, denn die Photosynthese ist eine der ersten Prozesse, die auf Wassermangel reagieren (Chavez et al 2009).
3. Veränderung des Triebdurchmessers
Für Spargel konnte im Lysimeter ein enger Zusammenhang zwischen der Abnahme des Triebdurchmessers und ψ_PD beobachtet werden. Triebe nicht bewässerter Pflanzen zeigten ab ca. -0,5 MPa eine stärkere Abnahme des Durchmessers, als Triebe von bewässerten Pflanzen. Die Zu- oder Abnahme des Triebdurchmessers könnte also als Möglichkeit der Vorhersage zu erwartender Veränderungen des Wasserstatus genutzt werden. Ob diese Signale der Triebdurchmesser-Änderung frühzeitig genug auftreten, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Bei Messungen im Feld im Jahr 2009 mit ψ Werten bis ca. -0,25 MPa zeigte sich kein Zusammenhang zwischen Triebdurchmesser und Wasserpotenzial.

3. Veränderung des Triebdurchmessers
Für Spargel konnte im Lysimeter ein enger Zusammenhang zwischen der Abnahme des Triebdurchmessers und ψ_PD beobachtet werden. Triebe nicht bewässerter Pflanzen zeigten ab ca. ‑0,5 MPa eine stärkere Abnahme des Durchmessers als Triebe von bewässerten Pflanzen. Die Veränderung des Triebdurchmessers könnte also zur Prognose der Veränderung des Wasserstatus verwendet werden. Ob die Signale aus der Triebdurchmesserveränderung frühzeitig genug auftreten, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Bei Messungen im Feld 2009 mit ψ‑Werten bis ca. ‑0,25 MPa zeigte sich kein Zusammenhang zwischen Triebdurchmesser und Wasserpotenzial.

Fazit
Vorläufige Schwellenwerte für die Bewässerungssteuerung von Spargel:
Ein Ansatz für die pflanzenbasierende Bewässerungssteuerung bei Spargel stellt das frühmorgendliche Wasserpotenzial (ψ_PD) dar. Unter Feldbedingungen verschlechterte sich der Wassertransport in Spargeltrieben nachhaltig, wenn das ψ_PD unter -0,2 bis -0,3 MPa sank. In Lysimeterversuchen nahmen die CO2-Assimilation und damit die Stoffproduktion im Spargellaub deutlich ab, wenn das ψ_PD  0,8 MPa erreicht hatte. Da diese Werte direkt nicht auf Freilandbedingungen übertragbar sind, müssen weitere Untersuchungen zum Gaswechsel unter Feldbedingungen folgen. Als vorläufiger Schwellenwert für die Bewässerung von Spargel wird deshalb ein ψ_PD von -0,2 bis -0,3 MPa betrachtet. Die einfach automatisierbare Messung des Triebdurchmessers ist ein erster Ansatz, die zeitaufwändige Messung des ψPD zu ersetzen. Ob diese Methode für Spargel ausreichend frühzeitig Signale erbringt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.

Co-Autoren:
Norbert Mayer, Jürgen Kleber
Forschungsanstalt Geisenheim
Fachgebiet Gemüsebau