Geisenheimer FACE für Sonderkulturen

Kurztitel : Geisenheimer FACE

Weltweit einmaliges „Klimaprojekt“ an der Forschungsanstalt Geisenheim

An der Forschungsanstalt Geisenheim sind die Weichen für ein weltweit einmaliges, ehrgeiziges Projekt gestellt worden. Unter dem Kürzel “Face", das für “free carbon dioxide enrichment" steht, soll eine Infrastruktur aufgebaut werden, mit der die Geisenheimer Forscher in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Forschergruppen die Auswirkungen künftig weiter steigender CO2-Konzentrationen in Kombination mit erhöhten Temperaturen auf Sonderkulturen - Wein, Obst, Gemüse und Zierpflanzen - untersuchen. In Geisenheim sind die Voraussetzungen dafür gegeben, dass an einem einzigen Standort die gesamte Produktionskette vom Anbau über Verarbeitung und Produktqualität analysiert werden kann. Das Land Hessen unterstützt dieses Vorhaben mit einer einmaligen Anschubfinanzierung von insgesamt einer Million Euro für die Jahre 2009 bis 2011. Diese Mittel fließen im Rahmen des Forschungsförderungsprogramms LOEWE, ein Programm zur Förderung von Exzellenzforschung. Staatssekretär Gerd Krämer vom hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst übergab das Genehmigungsschreiben am 28.7.09 dem Direktor der Forschungsanstalt, Prof. Dr. Hans R. Schultz.

Zielsetzung
Ziel dieses Projektes ist es für den Bereich der Sonderkulturen ein Zentrum zur Erforschung der prognostizierten Klimaauswirkungen zu entwickeln, welches auch im internationalen Kontext ein Alleinstellungsmerkmal darstellt. Der inhaltliche Schwerpunkt ist die Erstellung eines FACE (Free Air Carbon Dioxide Enrichment) Systems für Reben, Obst, Gemüse und Zierpflanzen am Standort Geisenheim.  Darin sollen im Vergleich zur derzeitigen CO2-Konzentration (ca. 385 ppm) die Auswirkungen einer graduell erhöhten CO2-Konzentration (Stufenweise bis 550-600 ppm prognostiziert für ca. 2075) in Kombination mit anderen Umweltfaktoren auf ausgewählte Rebsorten, Obst- Gemüse und Zierpflanzenarten untersucht werden. Hierbei liegt der Fokus auf der Schaffung einer Infra- und Versuchsstruktur, die es ermöglicht, die Einflüsse auf die gesamte Produktionskette, von Veränderungen im Boden-Pflanze-Atmosphären-System im Anbau über mögliche inhaltsstoffliche Veränderungen bis zur Verarbeitung und Produktqualität abbilden zu können. So sollen neben Einflüssen einer erhöhten CO2-Konzentration vor allem die Interaktionen mit den abiotischen Umweltfaktoren Wasser (mit Stickstoff als Co-Faktor) und Temperatur (bei den Kulturen, bei denen dies versuchstechnisch praktikabel ist) sowie die Interaktionen mit biotischen Faktoren, wie Mikroorganismen und Pflanzenpathogenen, untersucht werden. Die inhaltliche Konzeption ermöglicht die Einbindung fast aller Fachrichtungen am Standort und gewährt einen hohen Grad an Interdisziplinarität, die alle Ebenen vom Gen über Produktionssituationen bis zum Ökosystem erfasst. Das Projekt dient der Entwicklung nachhaltiger Konzepte und soll sich zu einer weltweit einmaligen Wissenschaftsplattform mit klarem Alleinstellungsmerkmal im Bereich der Sonderkulturen und mit hoher Attraktivität für andere Forschungsgruppen entwickeln. Der Aufbau der Infrastruktur wird ca. 3 Jahre in Anspruch nehmen.
Projektkonzeption
Das Thema hat hohe gesellschaftliche Relevanz, denn zum einen haben Gemüse-, Obst-, Wein- und Zierpflanzenbau große wirtschaftliche Bedeutung, zum anderen können die klimatischen Veränderungen Folgen für die Ernährung und die Inhaltsstoffe von landwirtschaftlichen Erzeugnissen haben. Bei dem Großprojekt sollen im Freiland unterschiedliche Umweltbedingungen simuliert werden. Es gibt derzeit weltweit rund 30 Face-Systeme, aber ein vergleichbares System für Reben, Obst, Gemüse und Zierpflanzen existiert bisher nicht. Vorstellen muss man sich ein solches Versuchssystem als eine Ansammlung mehrerer CO2 - Begasungsringe, die großflächig die Erforschung auf z.B. Reben unter Freilandbedingungen ermöglichen. Abbildung 1 zeigt einen solchen „Ring“ beim „Grünland-FACE“ der Universität Gießen.
Das Konzept sieht einen umfassenden Ansatz vor, bei dem fast alle Fachrichtungen am Standort Geisenheim eingebunden sind. Dabei soll auch der Kritik begegnet werden, dass die CO2-Konzentration in ähnlichen Versuchssystemen mit anderen Pflanzen sehr schnell gesteigert wurde, was nicht den natürlichen Bedingungen entspreche. Vorgesehen ist eine allmähliche Steigerung über einen längeren Zeitraum (5 Jahre) auf CO2 Konzentrationen, wie sie gegen Ende dieses Jahrhunderts erwartet werden. Die Wissenschaftler werden dabei auch gleichzeitig den Temperaturanstieg und den Wasserhaushalt mit berücksichtigen, dafür gibt es bisher ebenfalls noch keinen vergleichbaren Versuchsaufbau.

Der umfassende Ansatz sieht 4 Unterprojekte vor.

1. Anbau – abiotische Interaktionen (Wasser und Temperatur): In diesem Teilbereich sollen die Effekte der Kombination einer erhöhten CO2-Konzentration und einer stärkeren Trockenheit auf die Physiologie und die Qualitäts- und Ertragsbildung der Pflanze untersucht werden. Hierbei werden die durch verschiedene Klimamodelle prognostizierten 20-25 % (2050) geringeren Sommerniederschläge als experimentelle Basis verwendet. Hier wird auch überprüft, ob die CO2-induzierte größere Wassernutzungseffizienz ausreichend ist, um die verminderten Niederschläge auszugleichen und ob sich eine stärkere Biomasseentwicklung nachteilig auf das Verhältnis von generativer (Ertrag) zu vegetativer Masse auswirkt.
Der Einfluss kombinierter Umweltfaktoren, wie Temperatur, Wasser und CO2 auf die Aktivität und die Zusammensetzung der Mikroorganismen im Boden ist in weiten Teilen immer noch eine „black box“.  Mögliche Veränderungen in den Kohlenstoff (C)und Stickstoffgehalten (N) zusammen mit einem abgeänderten Bodenwasserhaushalt können das Auf- und Abbauverhalten von organischem Material, die Freisetzung an Nährstoffen, aber auch an CO2 und klimaschädlichem N2O substanziell beeinflussen. Hier stellt sich z.B. die Frage, ob der Einsatz spezifischer Begrünungspflanzen eventuelle Ausgasungen von CO2 abpuffern könnte oder wie sich eine simulierte Bodenbearbeitung auf die Freisetzung von N2O auswirkt.

2. Biotische Interaktionen (Mikroorganismen, Pflanzenpathogene, herbivore Insekten)
Pflanzen stehen in der belebten Natur in vielfältigen, äußerst komplexen und dynamischen Wechselbeziehungen zu einer Vielzahl von Organismen, zu denen u.a. Mikroorganismen und herbivore Insekten gehören. Unter veränderten Umweltbedingungen ist zu erwarten, dass sich diese biotischen Interaktionen ändern und damit möglicherweise Auswirkungen auf den Schaderregerdruck und die Produktqualität haben werden. Im vorliegenden Unterprojekt sollen daher die Auswirkungen von erhöhten CO2-Konzentrationen in Kombination mit Wasserstressszenarien auf die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Schaderreger bzw. Mikroorganismen auf unterschiedlichen Ebenen analysiert werden. Aus der Gruppe der pilzlichen und tierischen Schaderreger soll dabei exemplarisch je ein Vertreter einer Gattung bearbeitet werden, der übergreifend an den meisten der zu untersuchenden Sonderkulturen eine Rolle spielt. In Frage kommt hierbei z.B. der Erreger der Graufäule Botrytis cinerea sowie Schadlepidopteren aus der Familie der Wickler, wie der Bekreuzte Traubenwickler Lobesia botrana und der Apfelwickler Cydia pomonella  Darüber hinaus sollen bei Reben die Veränderungen in den Wechselwirkungen zwischen Rebe und Hefen bzw. Mykotoxin bildenden Mikroorganismen untersucht werden.

3. Produktqualität (Inhaltsstoffe und Sensorik) und Prozessqualität
Es ist zu erwarten, dass die CO2 -Anreicherung unter gleichzeitiger Berücksichtigung von abiotischen Faktoren weitreichende Konsequenzen für Früchte und Gemüse hat. Diese zeigen sich in der ernährungsphysiologischen Beurteilung der Produkte selbst (Obst und Gemüse), aber auch in ihren Verarbeitungsprodukten (Frucht- und Gemüsesäfte, Konzentrate, Weine, fermentierte Säfte u.ä.). Im Fokus für den Wein stehen Untersuchungen zu den sekundären Pflanzenstoffen, wie z.B. Polyphenole oder verschiedene Schwefelverbindungen (antimikrobielle Funktionen) sowie Carotinoide als Aromavorstufensubstanzen. Ein zweiter Schwerpunkt wird die Mikroorganismenflora und deren eventuelle Änderung in der Zusammensetzung sein. Dies könnte zu einer Vielzahl an Stoffen führen, die als problematisch für die Qualität anzusehen sind bzw. zu inhaltsstofflichen Veränderungen im Endprodukt führen. Zu untersuchen sind damit biogene Säuren, biogene Amine, Muffton verursachende Fehlaromen und Mykotoxine. Auch eventuelle sensorische Veränderungen der Produkte sollen untersucht werden, wobei auch mögliche Anpassungen der Prozesstechnik an Veränderungen in der Struktur von z.B. Trauben zur optimalen Extraktion wertgebender Inhaltstoffe berücksichtigt werden sollen.

4. Modellierung – Bilanzierung
Die Komplexität der Interaktionen von geänderten Klimavariablen, variierter Wasserversorgung und CO2-Gehalt der Umgebungsluft erfordert die Nutzung von Modellen als Werkzeug zur Entwicklung von Hypothesen und deren Überprüfung. So kann man zurzeit zwar entweder die Reaktionen der Pflanzen auf unterschiedliche Wasserversorgung oder aber die Photosyntheseleistungen modellieren, die Interaktionen bei erhöhtem CO2 sind aber nicht genügend bekannt und können daher weder modelliert noch validiert werden. Dabei sind die derzeit verfügbaren Modelle für Sonderkulturen sehr unterschiedlich entwickelt. Für Reben sollen bereits existierende Modelle zur Beschreibung des Wasserhaushalts so modifiziert werden, dass auch der CO2-Effekt berücksichtigt wird und eine Risikoanalyse für gefährdete Standorte, wie z.B. Steillagenweinberge durchgeführt werden kann.
In einer Zeit, in der die Umorientierung zu nachhaltigen Produktionsweisen in allen Bereichen der Landwirtschaft und Industrie gefordert wird, ergibt sich in solch einem Versuchsaufbau die Möglichkeit eventuell entstehende Risiken in Bezug zu einer zukunftsorientierten, nachhaltigen Wirtschaftsweise zu identifizieren und gegebenenfalls Vorsorgemaßnahmen zu treffen. Auch die mit der Produktion im Bereich der Sonderkulturen einhergehende Frage nach den geeigneten Standorten, muss im Kontext veränderter klimatischer Bedingungen intensiv untersucht werden, da dies wiederum Auswirkungen auf zukünftigen Verteilungsmuster im ländlichen Raum hat. Gerade für Bereiche, die kulturhistorisch und landschaftlich einen hohen Stellenwert in unserer Gesellschaft besitzen (z.B. Steillagen-Weinbergsregionen), ist eine Identifizierung eventuell auftretender Problemfelder und die Bereitstellung von Lösungsansätzen eminent wichtig. Für die deutsche Weinbauforschung birgt dieses Projekt eine große Chance und ist gleichzeitig eine große Herausforderung.