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SALINITY-

SCHLEIFF

Vortrag Geoökolog. Kolloquium TU-BS, 17.11.2011

SALZTOLERANZ VON KULTURPFLANZEN IM BEWÄSSERUNGSFELDBAU UNTER BESONDERER

BERÜCKSICHTIGUNG DER RHIZOSPHÄRE

Dr. Uwe Schleiff

Vortrag Geoökolog. Kolloquium TU-BS, 17.11.2011 SALZTOLERANZ VON KULTURPFLANZEN IM BEWÄSSERUNGSFELDBAU UNTER

BESONDERER BERÜCKSICHTIGUNG DER RHIZOSPHÄRE

Gliederung

• Streifzug in Bildern zur Veranschaulichung der Thematik weltweit • Aktuelles Projektbeispiel: KASHGAR/Xinjiang/China

• Konventionelle Klassifizierung der Salztoleranz von Kulturpflanzen + Kontrolle der

Bodenversalzung durch Salzauswaschung: VERTIKALE SALZVERTEILUNG in der Wurzelzone des Bodens

• The ‚FORGOTTEN LINK’: LATERALE SALZGRADIENTEN um Wurzeln’ und

Bedeutung der Wurzelmorphologie (zwischen 2 Wassergaben)

• Zusammenfassung: Zukunft der Forschung Salztoleranz unter ‚Brackish Irrigation’

Niederrhein: Ausbringung mit kontaminiertem Gärrest

IRAK: Salt-Affected Land Under Improper Irrigation Water Management

PERU: Misuse of Untreated Sewage Water for Crop Irrigation

SAUDI ARABIA: Disposal of Saline Drainage Water in a Sebka

OMAN: Overpumping of Fresh Groundwater Resources Causes SeawaterIntrusion and Soil Salinization

BANGLADESH:

The Famous Mangrove Forest SUNDERBANS are now UNESCO Protected under theWorld HeritageProgramme

QATAR: Uncontrolled Doha Sewage Water Disposal

Planning of Resources for QDC - Forage Production

TOTAL FORAGE

REQUIREMENT:

40 954 t/a DM

Land/Soil: - Area - Soil Properties (physical, chemical) - Reclamation requirem - Underground

Irrigation Water: - Quantities - Sources - Quality - Leaching Requirem

Climate: - Rainfall - ETo, ETc - Frost, Heat - Wind - Seasons

Agro-Chemicals: - Fertilizers - Nutrient Balance - Herbicides, Insecticides Fungicides

Irrigation System: - Technique: CP,

drip, mobile drip - Cycles - WUE - Drainage

Fodder Crops: - Perannual: Rhodes

Grass, Alfalfa etc - Annual: Maize etc - Crop Rotations

Manure/Digestate: - Nutrients - Organic Matter - Application Level - Leaching

Environment: - Groundwater Contam.

(Nitrate, Salinity, Chemicals etc.)

- Groundwater Level - Soil Salinity/Alkal - Wind Protection - Smell, Air Pollution - Birds etc, Insects

AFGHANISTAN: Access to Irrigation Planning Area Risky Due to Buried Mines

MELONS:

Wilting Leaves evenafter Watering Dueto High Soil Salinity

CARROTS:

Leaves ColouredBetween Light Green (Young Leaves) and Silvery Shining(Old Leaves) to leaves withNecrotic EdgesindicatingincreasingChloride Contents

SALINITY & SOIL FERTILITY TEST KIT

MOTTO:Better Approximately Correct,

in Time and Cost-Effective –

Than More Exact, too Late, and too Expensive

Besser ungefähr richtig,

rechtzeitig und preisgünstig –

Als genauer, zu spät

und zu teuer

(Schleiff 1987)

II. Teil

Aus einem aktuellen Gutachten

QRBMS – Qashgar River Basin Management Section

Locationof Project Area:

NearKashi/ Qashgar

Foot of Pamir Mountain

Aerial Picture from Saline Landscape Around Qashgar

Thema des Gutachtens:

(Kashgar-River-Basin/Xinjiang/China)

Assessment of Soil Salinityon Sites

Proposedfor Sustainable Cultivationof

Drip IrrigatedFruit Trees and Intercrops

Table 5: Evapotranspiration (ETo in mm/month) and Rainfall (mm/month) in Kashgar after FAO (1992) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec ETo mm/month

18 33 75 123 160 190 183 156 111 63 30 15

Rainfall mm/month

4 5 5 8 14 8 9 8 7 3 3 2

ETo: 1157 mm/a; Rainfall: 76 mm/a

Soil Sampling

Saline Soil Profile

Reclaimed Cotton Field Irrigated under Plastic Mulch

Reclaimed Field Grown with Drip Irrigated Chinese Dates

Google Earth Foto of Salt Affected Project Area and Soil Sampling Sites

Google Earth Foto from a Salt-Affected Project Site and Marked Sampling Sites

Flood Irrigated and Salt-Affected Cotton Field under Plastic Mulch

Strong Growth of Halophytic Weed in a Cotton Field

Spatial Distribution of Soil Salinity May Vary Significantly as Indicated by Growth of Salt Sensitive Crops (Sunflower) Near Halophytes

Limitation of Saline Soils Reclamation Caused by Inefficient Discharge of Saline Drainage Water

EC-Probe Set for

Soil Conductivity

Training on the Job for ‚RAPID SOIL SALINITY APPRAISAL‘

III.

Grundlagen zur Bewertung der Salztoleranz bewaesserter

Kulturpflanzen und wissenschaftlicher Ausblick

Definition ECe

ECe – Electrical Conductivity

of Soil Saturation Extractin dS/m

(LF – elektrische Leitfähigkeit desBodensättigungsextraktes in dS/m)

FAUSTZAHLEN:3 dS/m ECe: ~25 mmol/l NaCl3 dS/m ~ -0.1 MPa osmot. Potential

(=1 bar)

Unterdruck

CROP SALT TOLERANCE

(Salztoleranz von Kulturpflanzen)

definiert durch folgende Gleichung:

Y = 100 - b (ECe - a)

Y = relativer Ertrag/Wachstum in %

a = ECe in dS/m, bei dem Ertragsabfall beginnt

b = Ertragsabfall in %, der je Einheit ECe-Zunahme zu

erwarten ist

ECe = aktueller Bodensalzgehalt

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12

ECe (dS/m) of soil

rela

tive

yiel

d Y

in %

Basic Equation:

Y = 100 – b (ECe – a)a

Maize: Y = 100 - 15,2 (ECe-a)

(after Maas&Hoffmann)

b=%yield loss/dS/m ECe-increase

Rating of Crop Salt Tolerance for Saline Agriculture

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50

soil salinity as ECe in dS/m

rela

tive

cro

p y

ield

in %

sensitivemoderatelysensitive

moderat.tolerant

tolerantvery tolerant(halophytes)

S MS MT T

VT

VT

NO PLANTGROWTH

FAO/USDA Konzept ‚Soil Salinity Control by Leaching‘:

VERTICAL SALT DISTRIBUTION AROUND ROOTS

0

25

50

75

100

0 10 20 30

ECsw (dS/m) of soil/drainage waterro

ot z

one d

epth

in %

ECi

LF = 0,17ECe=7,45dS/m

LF = 0,25ECe=5,8dS/m

LF = 0,4ECe=4,35dS/m

100% Rela

tive

Roo

tzon

e D

epth

in %

0%

50%

ROOT

SHOOT

Transpiration

lateral water/salt movement

THE ‚FORGOTTEN LINK ‘ IN CROP SALT TOLERANCE RATING: LATERAL SALINITY GRADIENTS

• Formation of GypsumCrystals Developedaround Roots of Rhododendron indicumL. under Irrigation withWater Containing

3,9 mmol/l Calcium and 2,1 mmol/l Sulfat

(Jungk, 2002)

Sub-Division of Rooted Soil

ROOT

BULK SOIL

RHIZO-SOIL = Rhizo-Cylinder = Root Hair Zone

SHOOT

0.520.01K-uptake rate, μμμμmol cm-1 sec-1

-1180Root hair density, number/cm

-0.04Root hair length mm

-0.225Root radius mm

124012Root hair volume in cm³/g DM root

624Root hair cylinder mm³/cm

20030Root length in m/g DM

RapeOnion/LeekFeature

Some morphologic features of rape and leek/onion roots relevant for soil exploitation (supplemented after Barber 1982; Jungk et al. 1982

Root water uptake by leek and rape plants from a saline soil

y = -8,0038Ln(x) + 9,1522

R2 = 0,9832

y = -5,4284x + 5,0719

R2 = 0,9115

0

5

10

15

20

25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Total soil Water Potential, -MPa

Ro

ot

Wa

ter

Up

take

Ra

te, m

l/(g

DM

*h)

150 mmolc/l - treatment(ECi ~17 dS/m)

RAPE

LEEK

~f.c. ▼

Schematic Presentation of Lateral Salt Distribution around Roots of Salt-Sensitive and Salt-Tolerant Crops

distance from root surface

salin

ity o

f so

il so

lutio

n

Bulk Soil

Rhizospheric Soil (RS)

RS

SALT-SENSITIVE CROP

SALT-TOLERANT CROP

TransitionZone

root surface

Crop Salt Tolerance as Affected by Root Morphology

+ + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + ++

IMPAIRMENT ◄ EFFECT ON SALT TOLERANCE ► IMPROVEMENT

Soil Surface

Bulk Soil

SHOOT SHOOT

Small Rhizocylinder Volume per Unit Root-DM

Large Rhizo-cylinder Volume

Root Rhizo- cylinder

++ SALT

++++++++

Zusammenfassung

und

Schlussfolgerungen

Strategien zur Erforschung der Salztoleranz von Kulturpflanzen

Konventionelles Boden Basiertes

Konzept

Wasserkultur Basiertes Konzept

Zukunft: Boden Basiertes Konzept - Kontaktraum Boden/Wurzel

● VERTIKALER Gradi-ent der Bodenversalzung

---------------

Resultiert aus kontrollierter Salzauswaschung (AW = ET + LR) ● Salztoleranz-Listing basiert auf der durch-schnittlichen Versalzung des 4-schichtigen Bodenprofils; Hilfreich als ‚Erste Orientierung’ für Planungen im Bewässe-rungsfeldbau

● KEINE Gradienten

-----------------

Aussagen fuer Pflanzen unter Boden-/Feldbedin-gungen problematisch; Boden ‚STÖRT’ ● Aufwendige Screening Programme; ‚Ergebnis-frei’ in bezug auf Relevanz für Salztoleranz im Bewässerungsfeldbau; zahlreiche biochemische + physiologische Detail-Erkenntnisse

● LATERALE Gradienten zwischen wurzelnahem(Rhizo-) und -fernem Boden

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PFLANZENWURZEL trifft auf BODEN („The Forgotten Link“)

● Ionen (e.g. Na, Mg, Ca, Cl, SO4) ausge-schlossen von der Aufnahme durch Wurzeln: akkumulieren im Rhizoboden

● Die Parameter Radius und Volumen des Rhizobodens, Salzkonzentration des Rhizobodenwassers, Wurzelmorphologie, Wasserfluss am Gradienten Boden/ Rhizo-boden (Ψo, Ψm, Ψt) bestimmen über die Wasserverfügbarkeit und Salztoleranz im Bewässerungsfeldbau