Forschungsthema 2.3 „Detektion des Phosphatstatus im Boden und in Maisbetsänden mit nichtinvasiven Methoden“ innerhalb des Internationalen Graduiertenkollegs "Anpassung von Mais-basierten landwirtschaftlichen Produktionssystemen zu Nahrungsmit

Phosphat gelangt über Düngung und Futter in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf und hier über verschiedene Schritte von der Primärproduktion über Futter, Nahrung und Biomassekonversion in tierische Ausscheidungen, Abwasser und organische Abfälle. Auf diesem Weg wird Phosphat teils ungenutzt in Böden angereichert, während große Anteile durch Erosion sowie über die Abfall- und Abwasserströme den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf in die Umwelt verlassen. Phosphat ist ein begrenzter, essentieller Nährstoff (Reichweite ca. 300 Jahre). Auswirkungen der Limitierung eines essentiellen Nährstoffs und des damit verbundenen ökonomischen Drucks sind weitgehend unbekannt. Das Schließen des Phosphatkreislaufs und die Senkung des Verbrauchs primärerer Phosphate sind grundlegende Herausforderungen.

Mais ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen mit hohen Phosphatansprüchen besonders in der Jugendentwicklung und so ideal zur Untersuchung der Auswirkungen einer Phosphatlimitierung geeignet. Zusammen repräsentieren China und Deutschland die gesamte Breite maisbasierter Produktionsketten in weiten Klimabereichen.

Forschung basiert hier auf der übergeordneten Hypothese, dass hohe Produktivität und hohe Phosphatnutzungseffizienz unter phosphatlimitierten Bedingungen gleichzeitig erreicht werden können indem der Phosphatkreislauf geschlossen und an die vielseitigen Bedürfnisse maisbasierter Produktionssysteme angepasst wird.

Komplementäre Arbeitsgruppen der China Agricultural University (Peking) und der Universität Hohenheim untersuchen in einem interdisziplinären systemorientierten Ansatz (1) das genetische Potential von Maispopulationen zur Anpassung an eine Phosphatlimitierung, (2) Anpassungsmöglichkeiten von Maisanbausystemen an Phosphatlimitierung, (3) mechanistische Interaktionen der Produkte mit einer weiteren Verwertung in der Human- und Tierernährung sowie Phosphat-gewinnung durch Biomassekonversion. (4) Eine ökonomische Evaluierung erfolgt auf verschiedenen Skalen. Feldversuche in China und Deutschland ermöglichen ergänzende und vergleichende Analysen. Genetische und molekulare Methoden, moderne Spektroskopie, ökonomische Untersuchungen sowie Modellierung sind Eckpunkte des weiten Methodenspektrums.

Der Phosphatstatus im Boden und Maisbestand unterscheidet sich sowohl räumlich als auch zeitlich. Aufgrund des hohen Zeit- und Kostenaufwands für nass-chemische Standardanalysen wird der Phosphatstatus in Böden typischerweise in einem großen Raster von etwa einer Probe pro Hektar und Jahr überwacht, was bei gegebener Variabilität viel zu grob ist. Ermutigt durch das erfolgreiche Beispiel optischer Stickstoffsensoren für die Echtzeitmessung in Pflanzenbeständen, ist die Forschungsidee von RS 2.3 die Untersuchung des spektralen Absorptionsverhaltens von Phosphat in Boden- und Pflanzenbeständen im sichtbaren, nahen und mittleren Infrarot Wellenlängenbereich (VIS-NIR-MIR) als Basis für die Entwicklung optischer Messsysteme zur nicht-invasiven, quasi-kontinuierlichen Detektion des Phosphatstatus.