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D-38300 Wolfenbuettel/Germany P.O.Box 1934; [email protected] International Expert for ● Irrigation & Salinity ● Fertilizers & Crops ● Soils & Environment
http://www.salinity.de
SALINITY-
SCHLEIFF
Vortrag Geoökolog. Kolloquium TU-BS, 17.11.2011
SALZTOLERANZ VON KULTURPFLANZEN IM BEWÄSSERUNGSFELDBAU UNTER BESONDERER
BERÜCKSICHTIGUNG DER RHIZOSPHÄRE
Dr. Uwe Schleiff
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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’
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Niederrhein: Ausbringung mit kontaminiertem Gärrest
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IRAK: Salt-Affected Land Under Improper Irrigation Water Management
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PERU: Misuse of Untreated Sewage Water for Crop Irrigation
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SAUDI ARABIA: Disposal of Saline Drainage Water in a Sebka
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OMAN: Overpumping of Fresh Groundwater Resources Causes SeawaterIntrusion and Soil Salinization
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BANGLADESH:
The Famous Mangrove Forest SUNDERBANS are now UNESCO Protected under theWorld HeritageProgramme
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QATAR: Uncontrolled Doha Sewage Water Disposal
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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
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AFGHANISTAN: Access to Irrigation Planning Area Risky Due to Buried Mines
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MELONS:
Wilting Leaves evenafter Watering Dueto High Soil Salinity
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CARROTS:
Leaves ColouredBetween Light Green (Young Leaves) and Silvery Shining(Old Leaves) to leaves withNecrotic EdgesindicatingincreasingChloride Contents
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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)
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II. Teil
Aus einem aktuellen Gutachten
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QRBMS – Qashgar River Basin Management Section
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Locationof Project Area:
NearKashi/ Qashgar
Foot of Pamir Mountain
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Aerial Picture from Saline Landscape Around Qashgar
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Thema des Gutachtens:
(Kashgar-River-Basin/Xinjiang/China)
Assessment of Soil Salinityon Sites
Proposedfor Sustainable Cultivationof
Drip IrrigatedFruit Trees and Intercrops
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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
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Soil Sampling
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Saline Soil Profile
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Reclaimed Cotton Field Irrigated under Plastic Mulch
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Reclaimed Field Grown with Drip Irrigated Chinese Dates
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Google Earth Foto of Salt Affected Project Area and Soil Sampling Sites
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Google Earth Foto from a Salt-Affected Project Site and Marked Sampling Sites
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Flood Irrigated and Salt-Affected Cotton Field under Plastic Mulch
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Strong Growth of Halophytic Weed in a Cotton Field
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Spatial Distribution of Soil Salinity May Vary Significantly as Indicated by Growth of Salt Sensitive Crops (Sunflower) Near Halophytes
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Limitation of Saline Soils Reclamation Caused by Inefficient Discharge of Saline Drainage Water
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EC-Probe Set for
Soil Conductivity
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Training on the Job for ‚RAPID SOIL SALINITY APPRAISAL‘
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III.
Grundlagen zur Bewertung der Salztoleranz bewaesserter
Kulturpflanzen und wissenschaftlicher Ausblick
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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• 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)
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Sub-Division of Rooted Soil
ROOT
BULK SOIL
RHIZO-SOIL = Rhizo-Cylinder = Root Hair Zone
SHOOT
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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
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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. ▼
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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
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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
++++++++
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Zusammenfassung
und
Schlussfolgerungen
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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
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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
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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
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