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Transpiration - Fluch und Segen zugleich

31/10/2021

Nachdem wir im letzten Post den Stofftransport der Pflanze thematisiert haben, wird der nun folgende Artikel ein direkt hiermit verknüpftes Thema behandeln: Die Transpiration.

Transpiration findet nicht nur beim Schwitzen von Säugetieren statt, sondern auch bei Pflanzen, wenn sie Wasser in Form von Wasserdampf an ihre Umgebung abgeben. Das zuvor von den Wurzeln aufgenommene Wasser steht der Pflanze so nicht mehr zur Verfügung. Einerseits kühlt die Transpiration die Blattoberfläche an heißen Tagen und ermöglicht bei gleichzeitiger Aufnahme von Wasser, die Aufnahme von Nähstoffen über die Wurzeln. Andererseits kann sie bei einer knappen Wasserverfügbarkeit zum Austrocknen der Pflanze führen. Dies kann die Pflanze zwar durch das Schließen der Stomata verhindern, allerdings kann so die Photosyntheseleistung und somit das Wachstum, bis zum Stillstand gemindert werden.

Um diese Effekte genauer zu betrachten, ist es hilfreich, zunächst die Dimensionen der Transpiration zu realisieren und anschließend die genaueren Abläufe zu beleuchten.

Ein nützlicher Faktor zur Einschätzung der Transpirationsmenge einer Kultur ist der s.g. Transpirationskoeffizient (TK). Der TK gibt die physiologische Wassereffizienz einer Kultur wieder, indem die während der Vegetation transpirierte Wassermenge ins Verhältnis zur oberirdischen Trockenmasse gesetzt wird. Während Dr. Wilfried Ehlers und Waake (2013) diesen beim Mais auf 100 – 300 l/kg TM schätzen, wird dieser bei Weizen auf 156 – 410 l/kg TM geschätzt. Dies ist mit dem unterschiedlichen Aufbau der Photosynthese-Systeme zu begründen. 

Im Jahr 2020 betrugen die Silomaiserträge laut Statistischem Bundesamt im deutschen Durchschnitt 423,9 dt/ha Frischmasse. Dies entspricht einer Trockenmasse von 148,37 dt/ha. Rechnerisch ergibt sich somit eine Transpirationsmenge von 1.484 bis 4.452 Kubikmetern Wasser pro Hektar und Anbauperiode! Da hier die verbleibenden Stoppeln nicht berücksichtigt werden, könnten die tatsächlichen Werte sogar noch höher liegen.

Wie bereits erwähnt, wird die Pflanze durch Transpiration vor Überhitzung geschützt. Beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird sowohl der direkten Umgebung des Blattes als auch dem Blatt selbst, Wärmeenergie entzogen. So kann die Blatttemperatur um bis zu 9 °C unter Umgebungstemperatur gesenkt werden.

Allgemein können zwei Transpirationswege, die stomatäre und die cuticuläre Transpiration, differenziert werden.

Die stomatäre Transpiration geschieht durch die Spaltöffnungen der Blätter, den s.g. Stomata. Diese müssen primär geöffnet werden, um den Wasserfluss aufrecht zu erhalten und CO2 für die Photosynthese ins Blattinnere aufnehmen zu können. Letzteres ist der Grund, warum C4-Pflanzen, wie z.B. Mais, Wasser deutlich effizienter nutzen können als C3-Pflanzen, wie z.B. Getreide. Durch die, im Vergleich zu C3-Pflanzen, höhere C02-Bindungsfähigkeit, können C4-Pflanzen bei gleicher Photosyntheseleistung, die Stomata deutlich weiter schließen. Die Wassernutzungseffizienz der C4-Pflanzen ist deshalb insbesondere bei trockener, heißer Umgebungsluft besonders hoch. Dies steht im Gegensatz zu C3-Pflanzen, die hier enorme Mengen an Wasser verlieren, um die Stomata ausreichend geöffnet zu halten. Die stomatäre Transpiration der Blattspreiten macht so oft insgesamt 90 % des Wasserverlusts einer Pflanze aus. Die 45 bis 500 Stomata pro Quadratmillimeter Blattoberfläche werden hauptsächlich durch den Zellinnendruck (Turgor) geregelt. Sinkt der Turgor, weil wenig Wasser innerhalb der Pflanze zur Verfügung steht, schließen sich auch die Stomata und ein weiterer Wasserverlust durch stomatäre Transpiration kann verhindert werden. Steht wieder mehr Wasser zur Verfügung, steigt der Turgor und die Schließzellen dehnen sich einseitig aus. Hierdurch werden die Stomata geöffnet und der Gasaustausch wird deutlich gesteigert. Die Öffnungsweite der Stomata kann durch Phytohormone und äußere Einwirkungen, wie z.B. Lichtstärke, -Qualität und CO2-Konzentration beeinflusst, bzw. reguliert werden. 

Die cuticuläre Transpiration hingegen kann nicht aktiv durch die Pflanze geregelt werden. Die Intensität dieser Transpiration ist neben den äußeren physikalischen Bedingungen, von der Struktur und Dicke der Cuticula abhängig.

So weisen etwa junge Blätter eine besonders dünne Cuticula auf, dies führt zur verstärkten cuticulären Transpiration. Sie kann bis zu fünffach höher als die cuticuläre Transpirationsrate adulter Blätter sein. Je dicker und behaarter die Cuticula ist, desto weniger Wasser geht durch Transpiration an dieser Stelle verloren. Ein äußeres Befeuchten der Cuticula führt zu erhöhter Wasserdurchlässigkeit der Cuticula. Deshalb sollten Pflanzenschutzbehandlungen bei hohen Lufttemperaturen oder niedriger Luft- und Bodenfeuchtigkeit vermieden werden, um Verbrennungserscheinungen durch eine erhöhte cuticuläre Transpiration zu vermeiden.

Neben den physiologischen Unterschieden von C3- und C4-Pflanzen gibt es viele Umweltfaktoren, die die Transpirationsrate beeinflussen.

Die Luftfeuchtigkeit, -Temperatur und Windgeschwindigkeit beeinflusst, wie viel Wasser bei vorgegebener Stomataöffnung, durch diese in Wasserdampf übergeht und somit aus diesen entweicht. Niedrige Luftfeuchtigkeit, hohe Lufttemperatur und eine hohe Windgeschwindigkeit erhöhen die Transpiration über beide Wege.

Wasserverfügbarkeit, Turgor, Lichtintensität und CO2-Konzentration der Umgebung beeinflussen hingegen den nötigen Öffnungsgrad der Stomata. So führt der durch den Klimawandel gesteigerte CO2-Gehalt der Luft, zu einem geringeren nötigen Stomataöffnungsgrad bei gleicher Photosyntheseleistung, als dies vor dem industriellen Zeitalter der Fall war. Durch eine erhöhte Lufttemperatur wird dieser, hinsichtlich der Wassernutzungseffizienz, positive Effekt zumindest bei C3-Pflanzen, jedoch wieder zunichte gemacht.

Je höher die Lichtintensität, desto höher ist die mögliche Photosyntheseaktivität. Der hierzu benötigte verstärkte Gasaustausch führt wiederum zu weiter geöffneten Stomata und schlussfolgernd erhöhter Verdunstung. Schließlich kann auch Kaliummangel die Transpiration steigern, da es für den Schließung der Stomata essenziell ist.

Somit kann der Landwirt die Transpiration auf folgende Weisen beeinflussen:
- Die Sorten und Kulturarten können nach maximaler Wassernutzungseffizienz ausgewählt werden.
- Durch intelligente, standortangepasste Bodenbearbeitung und der Verhinderung von Schadverdichtungen kann die Wasserverfügbarkeit für die Pflanzen maximiert werden.
- Nährstoffmangel sind zu vermeiden, um die Wassernutzungseffizienz zu maximieren und Trockenstress zu verhindern. Hier ist neben Kalium auch auf die Magnesium- und Schwefelversorgung zu achten, um sowohl die Aufnahme von Wasser durch die Wurzeln zu stärken als auch die Transpiration zu mindern. Unsere Experten beraten Sie gerne zu den richtigen Complesalen® für Ihren Anwendungsfall.
-Die Blattoberfläche sollte vor Beschädigungen durch Krankheiten und Schädlinge geschützt werden, da jede Verletzung zu Transpirationsverlusten führt.
-Die Umweltbedingungen beim Pflanzenschutz sollten berücksichtigt werden, um die Integrität der Cuticula zu schützen. 

Falls Sie Fragen zu den Complesal®-Produkten haben, stehen Ihnen selbstverständlich unsere Mitarbeiter telefonisch und per E-Mail zur Verfügung.

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