Porestørrelse og rotvekst i kornproduksjon. Till Seehusen Avdeling for korn og frøvekster, NIBIO Apelsvoll

Transkript

1 Porestørrelse og rotvekst i kornproduksjon Till Seehusen Avdeling for korn og frøvekster, NIBIO Apelsvoll

2 Innhold Innledning Jordstruktur og porestørrelse gassutveksling vanntransport Planterøtter Oppbygning og funksjon Kravene til god rotvekst Næringsopptak Samspill: Jordarbeiding- porevolum Jordpakking- porevolum- rotvekst Organisk materiale- porevolum- rotvekst Miljøeffekter av redusert porevolum Sammendrag arctic.ioguelph.ca

3 Innledning Jordstrukturen er viktig for planteproduksjon: definerer mulig rotdybde, vannlagring og -transport, gassutveksling Modifikasjoner på jordstrukturen fører til endringer i jordas porøsitet indikator for jordkvalitet Intensiv dyrking kan påvirke jordstrukturen og jordas fysiske egenskaper erosjon, jordpakking = redusert fruktbarhet og negative miljøeffekter Mengde og type av næringsstoffene plantene tar opp er av stor interesse - Optimalt samspill mellom jordstruktur, rotvekst og plantene er viktig for å oppnå høye avlinger av høy kvalitet The total above- ground growth of plants is strongly dependent on the development stage of the root. Only when the root can fully develop will the above ground plant reach its full potential (Gregory 2006)

4 Jordstruktur og porestørrelse Jordstrukturen består av 3 ulike fraksjoner: - Fast fase mineralske partikler med ulik størrelse, form og kjemisk sammensetning - Organisk fase - levende organismer, dødt plantemateriale og humus - Flytende fase fyller nesten hele porerommet mellom de faste materialene Vann kan lagres i jordmatriks Vannet inneholder løste stoffer - Gassfasen delen av porerommet som ikke er vannfylt varierer i sammensetning dybde, luft over jordoverflaten, biologiske, kjemiske og fysiologiske prosesser i jorda Chematic composition of a medium textured soil. (Loll and Moldrup )

5 Jordstruktur og porestørrelse Jorda deles inn i 3 komponenter av ulike størrelser («tekstur»): sand: - største gruppe av partikler (2 mm 50 μm) - forholdsvis lite overflate (0.04 m 2 g -1 ) silt: - mindre størrelse/ større overflate (1.1 m 2 g -1 ) enn sand leire: - partikler < 2 μm, partikler plate formet, størst overflate (5-800 m 2 g -1 ) Høy fysisk og kjemisk aktivitet Organisk materiale: liten andel varierer fra vekt % av mineraljorda = viktig effekt på jordstrukturen aktiv overflate m 2 g -1 Øker aggregatstabilitet Porevolum

6 Jordstruktur og porestørrelse Porene blir karakterisert i forhold til størrelsen: Transmission pores (> 30 μm) (luft kapasitet): Langstrakte sammenhengende porer Rotvekst og - utvikling Drenering og vanntransport Biologisk aktivitet i jorda Miyazaki et al Storage pores (0.2-30μm) Lagring av vann og vannløste næringsstoffer Plantenes vannforsyning Residual pores (< 0.2 μm) Molekulære interaksjoner Vannet bundet til jordpartiklene ikke tilgjengelig for plantene Dorthe Wildenschild Høy andel store porer (> 500 μm) er et tegn på dårlig jordstruktur og dårlige vekstvilkår (redusert kontakt mellom planterøtter og jorda)

7 Jordtekstur: Jordstruktur og porestørrelse Sand: gunstige fysikalske, dårlige kjemiske egenskaper Lavest total porøsitet Høyest andel store porer (> 30μm) Lavest andel små porer (< 0.2 μm) Tørker fort, rask oppvarming, gode infiltrasjonsegenskaper, men dårlig evne til å lagre vann og næringsstoffer Leire: gunstige kjemiske, dårlige fysikalske egenskaper Høyest total porøsitet Lavest andel store porer Høyest andel av små pores Tørker langsomt, sein oppvarming, redusert infiltrasjon, men god evne til å lagre både vann og næringsstoffer, vanskelig å beregne mineralisering PF kurva karakteristisk for de ulike jordtypene: Feltkapasitet (FC = pf 2), alle porer (>30 μm) luftfylt Visningspunkt (WP= pf 4.2), vann ikke tilgjengelig Riley 1996

8 Porevolum og gassutveksling Gassutveksling Biologisk aktivitet i jorda trenger tilgang til oksygen Gassutveksling avhengig av vanninnhold og lagringstetthet Innskrenket oksygentilgang: Hemmer rotutvikling Påvirker tilgjengligheten av næringsstoffene (N, Mg, S) Fare for denitrifikasjon og redusert mineralisering Røtter har høyt oksygenbehov for ånding (energi for næringsopptak) Ånding produserer CO 2 - ved redusert gassutveksling blir plantene forgiftet (Grenseverdi 4 %- 16 % CO 2 ) Høy andel grove, luftfylte porer viktige for oppvarminga av jorda

9 Porevolum og gassutveksling Tre viktige faktorer som er avgjørende for plantevekst: Luftkapasitet: Andel av store porer (> 30 um) O 2 - konsentrasjon rundt 20 % optimalt Grenseverdi for luftkapasitet = 10 % i det øverste jordlaget, 5 % i undergrundsjorda Luftpermeabilitet: Avhengig av porestørrelse og kontinuitet - høyest dersom jorda er tørt Følsom for endringer i jordstrukturen Grenseverdi for plantevekst ca. 3 μm 2 Diffusjon: Avhengig av konsentrasjonsgradient tette jordlag danner en diffusjonsbariere

10 Porevolum og vanntransport Vanninnhold i jorda har viktig innflytelse på næringstilgang og opptak Potensiell tilgjengelig vann er avhengig av jordvolumet tilgjengelig for planterøttene Mettet hydraulisk ledningsevne (K sat ): Definert gjennom porestørrelse og -kontinuitet Beskriver muligheten for vanntransport gjennom en vannmettet jord Grenseverdi 10 cm d -1 Redusert K sat kan forårsake anaerobiske forhold, vannmetting og erosjon K sat i det øverste, bearbeidete jordlaget er ofte stort Vann transporteres fortere gjennom et sammenhengende nettverk av store porer enn gjennom små porer Høy vanninnhold om våren forkortet vekstperiode risiko for jordpakking Umettet hydraulisk ledningsevne : Kapillar transport vanntransport fra grunnvannet til planterøttene Vanntransport gjennom jorda viktig for å sikre vann- og næringsforsynning

11 Planterøtter Rotsystemet har ulike funksjoner: Opptak av vann og næringsstoffer Danne et nettverk for plantene for å utnytte vann og næringsinnholdet i jorda Forankring Stabil basis for plantene Røttene kan motstår sterke trekk krefter Lagring av næringstoffer Dannelse av cytokininer - avhengig av næringstilgang Signal hvor raskt plantene kan vokse

12 Planterøtter En rugplante: Overflate rothår 402 m 2 Hele rotoverflaten 640 m 2 Rotoverflaten overstiger overjordisk oveflate x 80 Total rotlengde 621 km (isolert plante) (+ 5 km daglig) 14 milliarder rothår, samlet lengde km (+ 90 km daglig) Rotlengde redusert hvis sådd i rekke rotlengde ca. 1 km A= Dicotyl - Medicago sativa (Alfaalfa/ lucerne) B= Monocotyl- Triticum aestivum (hvete) (Entrup 2006)

13 Planterøtter Rotsystem av ulike planter: Venstre side: hvete, plantehøyde ca. 1.3 m Høyre side: mais, plantehøyde ca. 2.0 m Entrup 2006

14 Planterøtter Rota kan deles opp i: Epidermis (overhud) Adsorberende vev (rothår) Cortex (primærbarken) størst andel lagringsvev Endodermis Casparys bånd (kontrollerer opptaket av vann- næringstoffer) Stele sentralsylinder - ledningsvev- phloem og xylem 1

15 Planterøtter Rotspissen kan bli delt i 4 deler: Rothårsone (cellene spesialisere seg i vev av ulik funksjon) Vokser gjennom jorda Forstørrer overflaten Hoved vannopptak Strekningssonen (celler ekspanderer vekst i lengden) Meristematisk sone med Apikalmeristemet (delingsvev) vokser gjennom jorda (nye celler gjennom deling av cellene) Rothette (beskytter meristem): Rothette reagerer på forholdene i jorda: Kontrollerer retningen av veksten Trenger gjennom jorda Påvirker det mikrobielle miljøet rundt røttene Ehlers and Goss 2003

16 Planterøtter Rothårene er i direkte kontakt med jorda rund = Rhizospheren Rothår forankrer røttene i jorda og forstørrer røttenes overflate Rothår korte < 1000μm, diameter mellom μm Planterøtter kan påvirke de kjemiske forholdene i rhizosheren på forskjellig vis: - frigjører eksudater (mucigel, glucose, ensymer) - Plantene kan skille ut organiske syrer øker tilgjengeligheten av næringsstoffer - Røttene modifiserer de fysikalske egenskapene i rhizospheren (aggregering, antall og størrelse av mikroporer) The root:soil interface of crabgrass roots in intimate contact with soil particles (Gregory 2006) 3

17 Planterøtter Jorda burde ha en hvis stabilitet for å gi mulighet til forankring Røttene vokser hvor de kan: trenger gjennom jorda ved å forflytte jordpartikler følger porene/ sprekker Størrelse, kontinuitet og mengde av porer avgjørende for god rotvekst: Høy andel porer større enn rotspissen (> 200 μm) viktige for rotutvikling (sprekker og rotkanaler) For mye vann - redusert O 2 - innhold - fare for dannelse av høye CO 2 - konsentrasjoner For lite vann - økt jordstabilitet innskrenket rotvekst - opptørking (sprekker) kan rive av røttene Temperatur: - akselerer metabolske prosesser deal.eu Image: M Mc Cully CSIRO plant industries Canberra Australia

18 Næringsstoffer - opptak Med unntak av C og O er de fleste næringsstoffene (U) tatt opp gjennom jorda: U soil solid U soil solution U root surface U root U xylem U shoot Gregorich 2006 Næringstoffer i jorda Røttene må vokse fram til næringstoffene Næringstoffene (ioner) transporteres fram til rotoverflaten via en kombinasjon av: Interception (1) røttene må vokse fram til næringstoffene Massestrøm (2) (N, Ca, Mg, S, B, Cu, Zn, Fe, Cl)- vanngradient gjennom transpirasjon Diffusion (3) (P, K), konsentrasjonsgradient Marschner 2012

19 Jordarbeiding og porevolum Jordarbeiding: Påvirker antall og sammensetningen av porene, rotvekst og biologisk aktivitet Sammenliknet med pløying kan redusert jordarbeiding gi: Høyere lagringstetthet Større andel småporer Høyere vannninnhold Bedre porekontinuitet Høyere innhold av organisk materiale (øverste jordlag) Bilde: T. Seehusen Redusert jordarbeiding skaffer gode vekstbetingelser: Ingen plogsåle Høyere biologisk aktivitet bedre porekontinuitet og porestabilitet gjennom jordprofilet = positivt for rotvekst

20 Jordpakking, porevolum og rotvekst Fast mineralsk materiale i jorda kan ikke komprimeres Volumreduksjon skjer derfor i porevolumet Ved økende pakketrykk er det de største porene som tettes først Rotutvikling mekanisk begrenset Forminsket næringsopptak og dårlig gjødselutnyttelse Luftforsyning og gassutveksling betydelig redusert Svake kulturplanter (Ugras -/ Soppkonkurranse) Ytterlige reduksjon av gjødselutnyttelse «Redusert nitrogeneffektivitet» Fare for utslipp av klimagasser (lystgass N 2 O, Metan CH 4 ) Innskrenket vannledning Vanndemming - Erosjon Redusert jordfruktbarhet Vassmettet jord er ikke lagelig for jordarbeiding Oppvarming skjer saktere / forkortet vekstperiode Bilde: T. Seehusen 1

21 Jordpakking, porevolum og rotvekst % reduksjon i porevolumet kan øke motstanden i jorda x4 Plantenes krav er avhengig av planteslag, alle planter har høyt krav til grovporene: Gulrot og løk % luftvolum Korn % luftvolum Gras 6-10 % luftvolum Root system of wheat plants at different soil impedances. Marschner 2012 Røttene har tilgang til et redusert jordvolum for opptak av næringsstoffer og vann Høyere energibehov for røttene Redusert vannledning fører til mindre næringsopptak Plantevekst og avlingen er direkt relatert til rotvekst Root system of barley plants: BD 1.5 Mg m -3 (left), 1.35 Mg m -3 (right) Marschner

22 Organisk materiale, porevolum og rotvekst Organisk materiale har viktige funksjoner: Nærings- (N, P, K) og energilager for jordorganismer viktig for jordfruktbarhet Aggregering/ aggregatstabilitet Redusert lagringstetthet Viktig for vanninfiltrasjon og vannlagring Avhengig for kjemiske prosesser i jorda (eks. kation utvekslingskapasitet) OM nær jordoverflaten på lett jord kan øke aggregatstabilitet Redusert overflateherding Reduser erosjonsrisiko

23 Miljøeffekter av redusert porevolum Dårlig jordstruktur = redusert porevolum = redusert jordfruktbarhet Redusert gassutveksling Redusert vanninfiltrasjon Redusert vanntransport Redusert gjødselomdannelse Økt denitrifikasjon - redusert nitrogen effektivitet Utslipp av klimagass (N 2 O) Bilde: T. Seehusen Lystgasstap og erosjon fører til at kun % av tilført nitrogen tas opp av plantene Vannmetning Erosjon/ avrenning tap av næringsstoffer Kald jord Redusert rotvekst: Redusert næringsopptak Innskrenket planteetablering- Ugras greier seg ofte mye bedre, eks. kveke og tunrapp = økt behov for plantevern

24 Sammendrag Både antall porer og porestørrelsesfordeling er avhengig av jordstruktur og jordtype Rotvekst og funksjon er avhengig av jordstrukturen Plantevekst og avling (både mengde og kvalitet) er direkte avhengig av rotveksten Plantene kan påvirke jordstrukturen rundt røttene Management (jordarbeiding- pakking) har effekt på både jordstrukturen og porene i jorda Jordarbeiding og jordpakking kan påvirke vekstvilkårene både positiv og negativ Ødeleggelse av jordstrukturen kan føre til avlingstap, høye kostnader og negative miljøkonsekvenser (erosjon, avrenning, redusert nitrogeneffektivitet, klimagassutslipp)