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The effect of biochar- and manure - application on the stress tolerance of Chenopodium quinoa Willd., a potential cash crop halophyte.

Christian Blanck (2010)

Masterthesis vom 22.10.2010

 

The effect of biochar- and manure - application on the stress tolerance of Chenopodium quinoa Willd., a potential cash crop halophyte.


Die Auswirkungen von Biokohle - und Kompost - Applikation auf die Salztoleranz von Chenopodium quinoa Willd., einer potentiellen salztoleranten Nutzpflanze.


Abstract

Ensuring the food security in changing global conditions and growing populations is one of the most urgent challenges of mankind in the 21st century. Therefore the major threats to crop production are drought and increasing soil salinity worldwide. Today approximately seven percent of the world ´s area is salt affected, which compares to 5 percent of the cultivated land. This happens because of insufficient fresh water resources and inappropriate irrigation systems, which leads to an increasing soil salinity. The high evaporation in arid and semi – arid regions cause an accumulation of soluble salts at the soil surface, mainly sodium chloride. In contrast to most salt – sensitive crops, the natural vegetation of saline environments, the halophytes are able to grow there. This is possible because of many anatomical and physiological adaptations. One new potential cash crop halophyte from the Andean region is getting in scientist´s focus because of it´s extraordinary high nutritional value. Because of the rough climate in their natural distribution range, the stress tolerance against drought, cold and saline conditions is high. Quinoa is able to grow on seawater salt concentration and can complete it´s life cycle although the yield, the weight and the whole plant growth is reduced. In this greenhouse – pot –trial the effect of manure and biochar application on the salt tolerance of quinoa at 150 and 300 mM NaCl was analyzed. This pyrolized biomass tends to result in a higher ion – exchange capacity and water availability of the soil. This could buffer some adverse effects of salt exposure like the K+ / Na + - ratio, which was observable higher with biochar. With morphological and physiological analyses (like chlorophyll fluorescence and gas exchange measurements) the influence of salt stress on growth and photosynthesis of Chenopodium quinoa was examined.

Kurzfassung

Die Sicherstellung der menschlichen Ernährung im Zuge globaler Veränderungen und der wachsenden Bevölkerung ist eines der dringendsten Probleme des 21. Jahrhunderts. Dabei sind Trockenheit und Versalzung der Böden die größten Bedrohungen der Landwirtschaft auf der ganzen Welt. Heute sind etwa 7 % der Landesfläche und 5 % der landwirtschaftlichen Anbaufläche von Boden – Salinität betroffen, da die Süßwasser – Reserven nicht ausreichend sind. Zudem erhöhen viele Systeme der künstlichen Bewässerung die Versalzung, da die Verdunstung in ariden und semiariden Gebieten zu einer Salzakkumulation führt, meist NaCl. Im Gegensatz zu den meisten salzempfindlichen Nutzpflanzen können dort Halophyten wachsen, die anatomische und physiologische Anpassungen besitzen. Ein für die zukünftige Landwirtschaft interessanter Halophyt ist Chenopodium quinoa Willd., welche für die menschliche Ernährung optimale Eigenschaften besitzt. Zudem ist Quinoa auf Grund des natürlichen Verbreitungsgebietes in den südamerikanischen Anden sehr stresstolerant und kann auch bei Meerwasser – Salzkonzentration den Lebenszyklus vollenden und Samen bilden. Dennoch wird der Ertrag, das Gewicht und das gesamte Pflanzenwachstum durch die Salzexposition verringert. Hier wurde der Einfluss von Kompost und zusätzlicher Biokohle – Applikation auf die Salztoleranz von C. quinoa untersucht. Biokohle, unter Luftabschluss verschwelte (pyrolisierte) Biomasse, konnte durch eine erhöhte und Ionen – Austauschkapazität Wasserverfügbarkeit einige Effekte die Salzbelastung abmildern, wie etwa das Ungleichgewicht zwischen den Kationen Kalium und Natrium. Durch morphologische und physiologische Untersuchungen, wie Chlorophyll – Fluoreszenz- und Gaswechsel – Messungen wurden die Auswirkungen des Salzstresses auf Wachstum und Photosynthese untersucht.